Polarizziamo facilmente una valvola per l’amplificazione

Le valvole termoioniche sono dispositivi elettronici usati con gli stessi scopi dei transistor o degli amplificatori operazionali. Essendo componenti utilizzati all'inizio dell'era elettronica, ma ancora molto in voga, essi suscitano un po' di timore e di mistero, specialmente nelle nuove generazioni. L'articolo ha l'obiettivo di far rompere il ghiaccio ai nuovi sperimentatori e a realizzare un semplice amplificatore senza distorsione.

La valvola

E' un componente elettronico attivo che controlla il passaggio di corrente. Il suo funzionamento è paragonabile a quello del transistor, specialmente a FET. La figura 1 mostra il modello ECC82, che utilizzeremo nelle prove. Esso risulta identico al modello 12AU7, che adotteremo nelle simulazioni Spice. L'ECC82 (sigla europea) e il 12AU7 (sigla americana) sono valvole molto usate nel campo audio, specialmente per la costruzione di amplificatori per chitarra. Altri equivalenti sono: B329, 95-126-01, CC82E e 13D8. Tecnicamente si tratta di un doppio triodo in miniatura a 9 pin con lo zoccolo di tipo Noval B9A. In commercio si trovano molto facilmente sia la valvola che il relativo alloggiamento.

Figura 1: le valvole ECC82, 12AU7, lo zoccolo noval B9A e il pinout

Figura 1: le valvole ECC82, 12AU7, lo zoccolo noval B9A e il pinout

Leggendo il datasheet ufficiale della valvola (che consigliamo sempre di consultare) si possono trovare queste caratteristiche generali:

  • Anode current Ia=10,5mA;
  • Transcoductance S=2,2mA/V;
  • Amplification μ=17.

Sono dati essenziali che dettano i valori di polarizzazione con le opportune resistenze calcolate, come si vedrà tra poco. Riscontriamo, anche, l'utile tabella 1.

Anode voltage Va 100 250 (V)
Grid voltage Vg 0 -8.5 (V)
Anode current Ia 11.8 10.5 (mA)
Transconductance S 3.1 2.2 (mA/V)
Amplification µ 19.5 17
Internal resistance Ri 6.25 7.7 (kΩ)

Tabella 1: tipiche caratteristiche e condizioni operative della valvola

La tabella 2 mostra, invece, i valori massimi sopportati dal componente (Absolute Maximum Ratings).

Absolute Maximum Ratings
Anode voltage Va 300 V
Anode dissipation Wa 2.75 W
Cathode current Ik 20 mA
Grid voltage Vg -100 V
Grid voltage, peak Vgp -250 V
Grid resistor Rg 1

Tabella 2: valori massimi della Valvola

Il simbolo elettrico di un triodo

Se un principiante iniziasse subito a guardare il simbolo elettrico della valvola ECC82, egli sarebbe colto sicuramente da una grande confusione. Iniziamo, invece, a esaminarne il simbolo generico, con funzione di triodo. Si chiama triodo perché è caratterizzato dalla presenza di tre terminali: il catodo, l'anodo e la griglia. Esso è costituito, come mostrato in figura 2, da un tubo di vetro in cui c'è un vuoto spinto, contenente tre elettrodi collegati all'esterno. Uno degli elettrodi è il catodo ed è collegato a un filamento portato a temperatura elevata, così da emettere elettroni. L'altro elettrodo è l'anodo che riceve gli elettroni emessi dal catodo. Il terzo elettrodo si trova tra gli altri due ed è detto griglia. Ha la funzione di regolare la corrente e polarizzata opportunamente può controllare il flusso di elettroni permettendo, di fatto, l'amplificazione del segnale.

Figura 2: i terminali di un Triodo

Figura 2: i terminali di un Triodo

Polarizzazione di un triodo

Il segnale d'ingresso va applicato tra la griglia e il catodo. Ciò provoca un proporzionale cambiamento di tensione all'uscita, tra la placca e il catodo. Dal momento che la tensione di alimentazione della valvola è molto alta, praticamente non esistono distorsioni di sorta. La figura 3 mostra lo schema di principio di un amplificatore in classe A. Il filamento deve essere alimentato da una tensione idonea a portarlo in incandescenza, per l'attivazione dell'effetto termoionico. Solitamente tale tensione è di circa 6.3V. Per la scelta del valore della resistenza R è sufficiente dare un'occhiata al datasheet e leggere quello relativo alla corrente anodica in regime statico. L'anodo deve essere posizionato alla tensione di VCC/2 in modo che esso possa oscillare liberamente tra 0V e VCC. Proprio per il fatto che la tensione di alimentazione è molto alta, l'oscillazione, e quindi l'amplificazione, può avvenire senza distorsione, in un grande spazio numerico.

Per l'esempio proposto si scelga una tensione continua di alimentazione pari a 200V. Occorre, pertanto avere a disposizione un adeguato trasformatore. Il datasheet della ECC82 consiglia una corrente anodica pari a 10.5mA. Con la legge di Ohm ricaviamo, dunque, il valore del resistore R:

R=V/I

R=(200-100)/(10.5/1000)

R=9524 ohm

che possiamo tranquillamente arrotondare a 10kΩ. Dal momento che si sta lavorando con alte tensioni, anche l'incolumità dei componenti elettronici (oltre che la nostra) è un punto estremamente importante. Occorre, infatti, calcolare anche la dissipazione massima del componente, sempre con la legge di Ohm:

W=V*I

W=100*(10.5/1000)

W=1.05A

In questi casi è meglio abbondare un po', pertanto si può scegliere una resistenza da 10kΩ e 5W. Con tali caratteristiche il punto di lavoro dell'amplificatore, a riposo, sarà collocato esattamente a VCC/2.

Figura 3: lo schema di principio di un semplice amplificatore

Figura 3: lo schema di principio di un semplice amplificatore

Realizziamo l'amplificatore

La valvola ECC82 (o la 12AU7) ha, al suo interno, due triodi. Questa "integrazione" permette di realizzare un semplice cablaggio per chi costruisce un doppio amplificatore in cascata. Per il nostro scopo usiamo solo metà del tubo, ossia un singolo triodo. La figura 4 mostra lo schema elettrico. Il segnale d'ingresso è applicato alla griglia attraverso un condensatore di disaccoppiamento. Per un migliore funzionamento si consiglia d'inserire una resistenza di 220 ohm tra il catodo e la massa. La resistenza R3 polarizza la griglia e fissa, nel contempo, il valore dell'impedenza d'ingresso. La resistenza R1 polarizza correttamente l'anodo ed è seguita da un'altra capacità di disaccoppiamento e dal carico d'uscita.

Figura 4: lo schema elettrico dell'amplificatore a valvola

Figura 4: lo schema elettrico dell'amplificatore a valvola

Anche se lo schema non è provvisto dell'alimentazione del filamento, occorre sempre prevederlo altrimenti esso resta "freddo".

Funzionamento e misure

E' opportuno eseguire una simulazione al PC e poi passare alla realizzazione vera e propria, prestando sempre la massima attenzione all'alta tensione. Per gli interessati, il modello SPICE della valvola è il seguente:

.SUBCKT 12AU7 1 2 3 ; P G C; NEW MODEL
+ PARAMS: MU=21.5 EX=1.3 KG1=1180 KP=84 KVB=300 RGI=2000
+ CCG=2.3P CGP=2.2P CCP=1.0P ; ADD .7PF TO ADJACENT PINS; .5 TO OTHERS. 
E1 7 0 VALUE=
+{V(1,3)/KP*LOG(1+EXP(KP*(1/MU+V(2,3)/SQRT(KVB+V(1,3)*V(1,3)))))}
RE1 7 0 1G
G1 1 3 VALUE={(PWR(V(7),EX)+PWRS(V(7),EX))/KG1}
RCP 1 3 1G ; TO AVOID FLOATING NODES IN MU-FOLLOWER
C1 2 3 {CCG} ; CATHODE-GRID; WAS 1.6P
C2 2 1 {CGP} ; GRID-PLATE; WAS 1.5P
C3 1 3 {CCP} ; CATHODE-PLATE; WAS 0.5P
D3 5 3 DX ; FOR GRID CURRENT
R1 2 5 {RGI} ; FOR GRID CURRENT
.MODEL DX D(IS=1N RS=1 CJO=10PF TT=1N)
.ENDS

Si applichi, ora, all'ingresso un segnale di circa 10mV0p. Se tutto è a posto, in uscita si dovrebbe osservare un segnale in opposizione di fase ma amplificato di circa 12-13 volte, come mostra la figura 5.

Figura 5: il grafico della simulazione. La traccia celeste è il segnale d'ingresso, quella verde è il segnale d'uscita

Figura 5: il grafico della simulazione. La traccia celeste è il segnale d'ingresso, quella verde è il segnale d'uscita

Possiamo aumentare tranquillamente il segnale d'ingresso fino a circa 5V senza che esso sia soggetto a distorsione.

Conclusioni

Il prototipo appena realizzato costituisce, a tutti gli effetti, un pre-amplificatore utile in mille occasioni. Può essere utilizzato come stadio tra la chitarra e l'amplificatore finale. La passione per le valvole è ancora molto "accesa" nel mondo dell'elettronica, specialmente nel campo audio. Sono in molti, addirittura, a costruirsi in casa tali componenti, anche se la loro realizzazione risulta estremamente complicata. Invitiamo i lettori ad approfondire l'argomentazione in quanto ciò che abbiamo scritto costituisce solo un punto iniziale per cominciare a studiare questi fantastici componenti. Ribadiamo ancora una volta di stare sempre attenti all'alta tensione elettrica utilizzata, pericolosa ma necessaria per il funzionamento delle valvole termoioniche.

 

7 Commenti

  1. Riccardo Ventrella Riccardo Ventrella 5 novembre 2017
  2. Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 6 novembre 2017
  3. Riccardo Ventrella Riccardo Ventrella 6 novembre 2017
    • Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 6 novembre 2017
      • Riccardo Ventrella Riccardo Ventrella 6 novembre 2017
        • Giovanni Di Maria Giovanni Di Maria 7 novembre 2017
          • Riccardo Ventrella Riccardo Ventrella 7 novembre 2017

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