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Amplificazione a valvole e a stato solido. Stadi di alimentazione 1/2

Amplificazione a valvole e a stato solido. Stadi di alimentazione

Amplificazione a valvole e a stato solido. Stadi di alimentazione. Consideriamo ora lo stadio di alimentazione come ultimo, ma non per questo meno importante, elemento costituente la catena di amplificazione.

Esaminiamo un tipico alimentatore per finale a semiconduttori riportato in figura 17 che fornisce una doppia alimentazione positiva e negativa divenuta standard in quanto gli amplificatori erogano potenza senza condensatori di disaccoppiamento verso il carico e ovviamente senza trasformatore di uscita non essendo necessario l’adattamento di impedenza.

Non sono presenti induttanze di filtro come nel caso dell’alimentazione per valvole di figura 18 in quanto tipicamente lo stadio finale opererà in classe B con corrente di riposo fortemente diversa da quella di lavoro. In queste condizioni una cella di tipo ∏ come in figura 18 non riesce a mantenere costante la tensione di uscita a meno di sovradimensionare l’induttanza che risulta ingombrante e costosa dovendo consentire anche una forte componente continua senza saturazione del nucleo, con conseguente traferro in aria come per i trasformatori di uscita.

La stabilizzazione è affidata pertanto ai condensatori elettrolitici (l’alimentatore prende il nome di “capacitivo”) che operano con forme d’onda come in figura 19. Operando a 50Hz si ha un tempo di 10ms fra una semionda raddrizzata e la successiva per cui si ha la scarica della capacità per un tempo inferiore ai 10ms e una carica per il tempo differenza che riporta la tensione al valore di picco della forma d’onda. In seguito è riportato come esempio lo schema un amplificatore a stato solido da 100W in uscita su 8 ohm per cui utilizziamo queste caratteristiche per dimensionare i componenti.

alimentatore_capacitivo_amplificatore

La tensione efficace in uscita dall’amplificatore è

amplificazione_valvole_tensione_in_uscita

a cui corrisponde una tensione picco picco di

Vpp = 28•2•1.41 ≈ 80V

Le due tensioni positiva e negativa devono pertanto garantire almeno 80V più le cadute sui finali di potenza come somma ed è ragionevole considerare necessari + e – 45V come indicato in figura 17. La corrente efficace corrispondente vale

amplificazione_valvole_corrente

forma_onda_uscita

Fig. 19 - Forma d’onda all’uscita + di figura 17

La corrente viene fornita istante per istante dai condensatori alla frequenza dell’inviluppo del segnale audio per cui si dimensioneranno le capacità definendo il “ripple” di tensione che sarà presente a 100Hz sull’alimentazione. Consideriamo la scarica sui 10ms e utilizziamo la formula

ΔV = (I • ΔT) / C

dove ΔV è il “ripple” in tensione, I è la corrente richiesta, ΔT è il tempo di scarica e C è la capacità di filtro. Ricaviamo C

C= (I • ΔT) / ΔV

Fissiamo

ΔV = 1V e I = 1A .

Si ha C = 0.01 = 10.000muF

Pertanto per avere un ripple di 1V con 1A di corrente sono necessari 10.000muF e questo valore aumenta con l’aumento di corrente richiesta in maniera proporzionale. Non c’è un criterio univoco per fissare la capacità di filtraggio in quanto la natura del push-pull e l’effetto della controreazione sui 100Hz introdotti come rumore limita l’effetto negativo del “ripple”.

Il valore indicato di capacità può essere sufficiente per l’amplificatore dell’esempio, ma vi è un aspetto negativo di questo tipo di alimentazione che è più rilevante per le considerazioni sulla qualità audio complessiva. Si è considerato tutto il tempo di 10ms come scarica delle capacità ipotizzando nullo il tempo di carica, e questa approssimazione è tanto più esatta quanto il secondario del trasformatore, i diodi di raddrizzamento, l’impedenza dei condensatori, sono vicini alle caratteristiche ideali.

In pratica il tempo di carica può essere dell’ordine di 1 o 2 millisecondi producendo uno “spike” di corrente notevole che non ha sicuramente la forma di una sinusoide tendendo ad un impulso ad alta energia associata. A parte che superata una certa potenza non è più consentito dalle normative operare con alimentatori a sola capacità filtrante senza limitazione di corrente di picco proprio per la distorsione introdotta in rete, l’effetto della carica impulsiva produce armoniche che possono entrare nella catena di amplificazione peggiorando la pulizia complessiva dello spettro sonoro.

Non è facilmente prevedibile se e in quale misura questo effetto si presenti, ma, soprattutto in presenza di grandi potenze di uscita, deve essere considerata la possibilità di alimentazione mediante correzione del fattore di potenza (PFC) che può essere studiata anche per applicazioni audio. L’alimentatore di figura 18 è la tipica soluzione anni 60 per i finali push-pull a valvole. La presenza di un tubo a vuoto come doppio diodo può essere pensata come inutile essendo la sostituzione con diodi a stato solido immediata, ma la presenza del condensatore come primo elemento della cella p presenta gli stessi problemi già esposti che sono minimizzati dal valore della resistenza del secondario del trasformatore e dalla presenza del tubo a vuoto che ha caratteristiche lontano dall’ideale che però in questo caso risultano utili, limitando la produzione di armoniche.

Come esposto precedentemente, il funzionamento del finale push-pull a valvole è fortemente in classe A, consentendo un assorbimento di corrente sufficientemente costante da poter essere filtrato da una cella p. Il “ripple” residuo, soprattutto in anni in cui le capacità elettrolitiche ad alta tensione erano modeste, viene grandemente attenuato dal funzionamento pushpull che sfrutta il trasformatore di uscita a presa centrale oltre che dal tasso di controreazione che rimane comunque basso nella circuiteria a valvole. Caso a parte è il funzionamento di un finale a valvole tipo “single ended” che oltre a non prevedere controreazione, non dispone di soppressione automatica del “ripple”, operando ad un solo tubo.

In questo caso è necessario limitare il “ripple” soltanto attraverso il filtraggio e risulta necessario, se si vuole alta qualità, disporre di due celle p in cascata, contribuendo all’alto costo complessivo dell’intero amplificatore. Eliminando completamente il primo condensatore della cella p il tipo di alimentatore diviene “induttivo” ma l’effetto filtrante è fortemente ridotto dalla presenza in ingresso di tutta la componente a 100Hz soltanto raddrizzata per cui questa alimentazione, che non presenta i problemi del tipo “capacitivo”, è utilizzata dove è possibile sovradimensionare i componenti filtranti accettando costi e dimensioni superiori con la possibilità però di utilizzare i diodi a semiconduttore che in questa configurazione sono ottimali.

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