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Amplificazione a valvole e a stato solido.Stadi di potenza 2/2

Amplificazione a valvole e a stato solido

La presenza di una componente continua di corrente sempre circolante costringe ad utilizzare un “gap” fra i lamierini di qualche decimo di millimetro in modo che l’aria impedisca la saturazione del nucleo. Purtroppo la presenza di un traferro rilevante peggiora le caratteristiche di dispersione del trasformatore che pertanto aumenta di dimensioni al fine di compensarne la presenza diventando così un elemento ingombrante e costoso in rapporto alla potenza in uscita che rimane modesta.

Il trasformatore di uscita con necessità di traferro limita anche la frequenza minima e la banda passante complessiva è non troppo superiore a quella audio. Lo stadio finale a triodo single ended è così il candidato ideale al funzionamento senza controreazione disponendo di linearità sufficiente già dalle caratteristiche originali.

La configurazione di figura 14 è autopolarizzante in quanto la resistenza di catodo presenta una caduta che polarizza negativamente la griglia stabilizzando il punto di lavoro. Il condensatore di bypass catodico rende la configurazione con catodo a massa per tutte le componenti alternate. Si noti come l’autopolarizzazione operi correttamente in quanto lo stadio finale è in classe A pura e pertanto il valore medio della corrente circolante è costante indipendentemente dalla potenza in uscita I finali realizzati per questa via sono realmente da amatore in quanto i prezzi di prodotti artigianali che si trovano in commercio arrivano, per una configurazione stereo con valvole finali in parallelo, a valori sui 5000 € riservando il prodotto finito a una ristretta cerchia di facoltosi appassionati. Push-Pull Questa configurazione rappresenta realmente “il cavallo da tiro” nel campo dell’amplificazione audio sia a valvole che a semiconduttori essendo presente nella stragrande parte delle realizzazioni commerciali.

In fig. 15 la configurazione a valvole con evidenziate le tre diverse configurazioni possibili e in fig. 16 quella a semiconduttori da cui si evidenziano le differenze di funzionamento. Le valvole vengono pilotate in controfase e le correnti statiche che circolano nei due rami del trasformatore in maniera uguale in assenza di segnale, si modificano aumentando e diminuendo in accordo con i rispettivi segnali di pilotaggio. Il trasformatore opera la differenza delle due correnti per cui

Itot = ΔI1 – (-ΔI2) = ΔI1 + ΔI2

Sul carico finale agisce dunque la somma delle due variazioni di corrente ottenute da due segnali di pilotaggio operanti in opposizione di fase ed è presente un fattore di amplificazione in tensione in quanto l’ampiezza del segnale sul trasformatore è maggiore del segnale di pilotaggio di un fattore inferiore al µ delle valvole ma sempre dell’ordine di 5-10.

Nel caso a semiconduttori la differenza fra le due correnti è ottenuta dalle coppie NPN e PNP che, pilotate dalla stessa tensione, aumentano e diminuiscono il contributo sul carico. Non vi è amplificazione di tensione per cui l’unico segnale di pilotaggio deve essere dell’ampiezza richiesta sul carico finale. É presente la corrente di bias come elemento in grado di diminuire la distorsione di crossover che svolge lo stesso ruolo della corrente statica che circola nel trasformatore del caso a valvole. Le due configurazioni, operando per differenza di due grandezze fra loro in opposizione, presentano la proprietà di cancellare le armoniche pari generate lasciando inalterate le armoniche di ordine dispari.

Poiché lo stadio finale genera il contributo maggiore alla distorsione, la presenza di sole armoniche dispari costringe a limitare la distorsione complessiva che risulterebbe altrimenti fastidiosa mancando il rapporto fra pari e dispari. Già questa caratteristica del pushpull lo rende meno adatto ad operare in assenza di controreazione del caso single ended, ma vi è un’altra caratteristica che provoca discontinuità e conseguente non linearità nell’amplificazione.

Operando a valvole la corrente statica a riposo è normalmente un valore paragonabile a quella nominale e, aumentando progressivamente il segnale di pilotaggio, si ottiene con gradualità il passaggio di uno dei due tubi (quello portato verso conduzione inferiore) verso zone di funzionamento con scarso o nullo contributo all’incremento di corrente complessivo sul trasformatore.

Quando ciò si verifica l’amplificatore passa dalla classe A in cui entrambi i tubi contribuiscono in maniera uguale, alla classe B in cui uno solo per volta fornisce potenza al carico.

Push_pull_a_valvole

Fig. 15 - Push pull a valvole

A semiconduttori il fenomeno avviene normalmente a bassa potenza di uscita in quanto la corrente di bias è dell’ordine di 100 mA che possono essere sottratti totalmente da una delle coppie finali già a potenze inferiori al ½ watt di uscita. Sostanzialmente a semiconduttori si opera in classe B mentre a valvole si opera in classe AB. Il passaggio dalla classe A a B comporta l’aumento dell’impedenza di uscita in quanto si passa da un parallelo di finali con resistenza di emitter a un solo elemento attivo con in serie Re.

A valvole il passaggio modifica l’impedenza di carico anodico in quanto le due valvole operanti in classe A vedono ognuna ½ dell’impedenza totale del trasformatore, mentre in classe B, operando solo una metà per volta dell’avvolgimento, l’impedenza vista si riduce a ¼ in quanto dimezzando le spire attive si ha il quadrato come effetto.

Il fattore di smorzamento cambia peggiorando di un fattore due e ciò comporta generalmente un insufficiente smorzamento delle frequenze basse come già spiegato in quanto l’impedenza primaria del trasformatore risulta comparabile con la resistenza anodica.

A valvole il push-pull, sfruttando il progressivo spostamento verso la classe B (che teoricamente arriva al 78% di rendimento), consentì negli anni 60,di ottenere potenze in uscita attorno ai 100W accontentandosi di distorsioni complessive del 5-10% e a tal fine i pentodi di potenza venivano impiegati o come tali o in configurazione ultralineare ottenendo comunque una efficienza superiore ai triodi. Come evidenziato nel calcolo della potenza di uscita per il triodo, curve caratteristiche che consentono ampie escursioni sia di corrente che di tensione ottengono la massima potenza e ciò è massimizzato dalle curve del pentodo che sono però anche estremamente non lineari.

La configurazione ultralineare è intermedia fra triodo e pentodo ed ottiene un buon compromesso in termini di efficienza e linearità sfruttando una presa intermedia del trasformatore di uscita che pilota la griglia schermo in maniera proporzionale al segnale ottenendo così un effetto di controreazione locale che linearizza parzialmente le curve del pentodo.

Push_pull_a_semiconduttori

Fig. 16 - Push pull a semiconduttori

Cercando di ottenere la migliore qualità sonora con bassa controreazione, l’impiego a triodo rimane ottimale a scapito della potenza d’uscita che non supera i 30W impiegando come finali le KT88 in grado di dissipare più di 80W in coppia. Tranne rari casi il push-pull a stato solido è completato da stadi di amplificazione di tensione che definiranno il guadagno complessivo con impiego di controreazione più o meno accentuata.

Mentre a valvole ottenere alte potenze in uscita significa rinunciare al funzionamento prevalente in classe A, a stato solido il normale funzionamento in classe B ottiene facilmente centinaia di watt di uscita con impiego di MOS di potenza come finali.

Per uso domestico però sono sufficienti 10 o 20 watt purché la dinamica del suono sia elevata e priva di distorsioni non armoniche. Ciò è più facilmente ottenibile con bassi livelli di controreazione che invitano a considerare favorevolmente le configurazioni valvolari anche di tipo pushpull, impiegando valvole di facile reperibilità (EL34, KT88) in configurazione triodo.

Il trasformatore di uscita non risente del passaggio della componente statica della corrente in quanto la differenza operata dalle due sezioni dà come risultato l’annullamento della componente statica, consentendo una costruzione priva di traferro con conseguente allargamento della banda passante complessiva e possibilità di utilizzo di moderati tassi di controreazione.

Non è possibile utilizzare la polarizzazione automatica mediante resistenza catodica se si vuole utilizzare il funzionamento in classe B oltre che A in quanto l’efficienza superiore è ottenuta abbassando la corrente di riposo statica rispetto a quella circolante in presenza di segnale, non consentendo una polarizzazione fissa e costante.

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