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Amplificatori a valvole in classe "A"

Tutto ciò che occorre conoscere sugli amplificatori per chi si occupa di radio d'epoca

Leonardo Mureddu

Vedi anche questi testi del grande Ravalico scaricabili nell'area Download:

Capitolo V del Radiolibro XII

Capitolo IV dell'Audiolibro II

Senza volere rubare il mestiere agli audiofili e ai chitarristi, che notoriamente sono i più appassionati cultori della tecnica dell'amplificazione a valvole (o valvolare secondo il loro gergo), dedico questa pagina a illustrare con qualche dettaglio e con qualche documento il principio di funzionamento dell'amplificatore a valvole, che d'altronde costituisce lo stadio finale di tutte le radio d'epoca, oltre a essere il cuore di giradischi, registratori magnetici, e ovviamente amplificatori.

Se osserviamo un tipico stadio di bassa frequenza di una radio a valvole, vedremo che non si discosta molto dallo schema riportato qua sotto, salvo le eccezioni di cui tratteremo più avanti.

E' un amplificatore a due stadi, un triodo amplificatore di tensione e un pentodo finale di potenza. Dal punto di vista della configurazione, lo stadio finale viene definito tecnicamente come "single ended, classe A". Parlare di "classe A" oggi potrebbe far pensare a un dispositivo a basso consumo e ad alta efficienza, come per i frigoriferi e le lavatrici. Niente di più sbagliato. Gli amplificatori in classe A sono quanto di meno efficiente si possa costruire: consumano tanto e rendono pochissimo. Hanno il vantaggio di essere semplici da realizzare, questo spiega la grande diffusione. Per quanto riguarda la definizione di "single ended", ossia a finale singola, significa solo che vi è una sola valvola finale, non due come negli amplificatori di potenza maggiore, per esempio quelli in controfase. Il preamplificatore è in genere un triodo, per esempio quello contenuto nella valvola rivelatrice delle radio (75, EBC3, EBC41, EABC80 o simili), mentre la finale può essere un tetrodo a fascio o un pentodo di potenza (42, 6V6, EL3, EL84, EL41 o simile). Il medesimo schema con piccole varianti (controllo di tono, rete di controreazione), lo si trova installato anche nelle tipiche fonovaligie, ossia i giradischi a valigetta degli anni '50 e '60. In questo caso in genere si utilizzava una valvola unica del tipo triodo-pentodo, ad esempio la ECL82 o simili. E' in grado di erogare una potenza d'uscita massima di circa 3-4 watt, perfettamente sufficiente per l'ascolto domestico.

Malgrado l'apparente semplicità, per poter lavorare con un amplificatore di potenza occorre avere ben chiaro il ruolo di ciascun componente, sia quando lo si costruisce, sia quando lo si ripara e si deve sostituire qualche parte. Esamineremo quindi il circuito pezzo per pezzo, procedendo a ritroso dall'altoparlante fino all'ingresso.

Altoparlante - Gli altoparlanti utilizzati negli amplificatori di piccola e media potenza dagli anni '30 in avanti sono tutti a bobina mobile, ossia costituiti da un cono che viene messo in oscillazione mediante una piccola bobina immersa in un campo magnetico. Possono essere del tipo magnetodinamico o elettrodinamico, a seconda che siano forniti di un magnete permanente o di un elettromagnete (bobina di campo). Gli amplificatori degli anni '50 e '60 sono tutti equipaggiati con altoparlanti magnetodinamici, mentre quelli prodotti prima della Guerra sono quasi sempre elettrodinamici. Ciò che interessa, dal punto di vista dell'amplificatore, è l'impedenza della bobina mobile. Questa in genere è di pochi ohm, una decina al massimo. Un'impedenza così bassa rende difficile il collegamento diretto tra l'altoparlante e la valvola finale, che ha invece una resistenza interna dell'ordine di qualche migliaio di ohm. Per questo motivo è indispensabile l'uso di un adattatore di impedenza. Questo ruolo viene svolto dal trasformatore d'uscita.

Come stabilire l'impedenza di un altoparlante? - L'impedenza non è altro che la resistenza alla corrente alternata, nel caso di una bobina è funzione dell'induttanza e della frequenza. Per gli altoparlanti a bobina mobile può essere sufficiente misurare la resistenza in corrente continua per riuscire a valutare con ottima approssimazione l'impedenza. Una bobina che ha impedenza di 4 ohm mostra una resistenza poco inferiore, per esempio 3,5 ohm.

Trasformatore d'uscita - Chi vuole approfondire il discorso sul dimensionamento e la progettazione dei trasformatori d'uscita (TU) trova una trattazione accurata nelle varie edizioni del famoso "Audiolibro" del Ravalico. Per esempio il Capitolo IV della seconda edizione, scaricabile liberamente da qui o dall'area Download di questo sito. Il TU gioca un ruolo fondamentale nell'amplificatore, e allo stesso tempo costituisce uno degli elementi più delicati, in quanto viene attraversato dalla corrente anodica della finale, ossia quasi tutta la corrente che alimenta l'amplificatore. Negli amplificatori single-ended il TU è costituito da un avvolgimento primario di alcune migliaia di spire di filo sottile e da un secondario di un centinaio di spire di filo grosso. Il primario funge da carico per la valvola finale, e deve avere un'impedenza comparabile con la resistenza di carico (RL) consigliata per il tubo usato. Il rapporto di trasformazione in discesa serve ad alimentare correttamente la bobina mobile dell'altoparlante, che come abbiamo visto ha un'impedenza di pochi ohm. La radice quadrata del rapporto tra le impedenze fornisce il rapporto tra le spire. Per esempio, per collegare un altoparlante da 4 ohm al circuito anodico di una 6V6  (RL = 4000 ohm), si deve calcolare prima il rapporto tra le impedenze (in questo caso 1000) ed estrarne la radice quadrata (circa 32). Quindi, se il secondario è costituito da 70 spire, il primario dovrà essere di 70 x 32 = 2240 spire. Attenzione, però, perché la valvola "vedrà" quell'impedenza solo se un altoparlante da 4 ohm è effettivamente collegato al secondario. Cambiando l'altoparlante con uno di impedenza diversa la variazione si rifletterà sul primario del TU; per esempio con un altoparlante da 8 ohm l'impedenza "riflessa" varrà circa 8200 ohm. Un disadattamento d'impedenza provoca una diminuzione della potenza trasferita all'altoparlante. Un disadattamento eccessivo provoca anche distorsione e nei casi più gravi può creare un sovraccarico per la valvola finale, al punto da danneggiarla.

Come stabilire il rapporto di trasformazione di un TU sconosciuto? - Ci può capitare per le mani un TU di recupero e vogliamo sapere se sia adatto per sostituirne uno bruciato. Semplice. Basta alimentare il primario dalla rete a 230V (o meglio con un trasformatore riduttore) e misurare la tensione presente sul secondario. Il rapporto tra le due tensioni non è altro che il rapporto di trasformazione. Inutile dire che questa prova richiede cautela e non va fatta se non si è certi di quello che si sta facendo.

Come stabilire se un certo trasformatore è di alimentazione o d'uscita? - I trasformatori d'uscita per amplificatori single ended hanno il nucleo montato con un traferro, ossia con tutti i lamierini di un tipo ("E") da una parte e tutti quelli dell'altro tipo ("I") dall'altra. Tra i due blocchi di lamierini c'è spesso un sottile foglio di carta. I trasformatori di alimentazione, al contrario, hanno i lamierini montati alternativamente, in modo da creare un mantello magnetico serrato privo di traferro, come cerca di mostrare la figura qua sotto.

Scopo del traferro è quello di impedire la saturazione del circuito magnetico a causa della corrente continua che attraversa il primario del TU e alimenta la placca della valvola finale. La saturazione del nucleo provocherebbe infatti una forte distorsione del segnale audio.

Questa distinzione non vale per i TU degli amplificatori push-pull, che però in genere sono più grossi e si possono riconoscere per altri motivi.

Come stabilire quale deve essere l'impedenza primaria di un TU? - L'unico modo è quello di cercare i dati di impiego della valvola in uso. Per ogni valvola e per ogni tipo di applicazione il costruttore fornisce una serie di parametri, tra cui il carico anodico ottimale, che è funzione della  resistenza interna (ma non coincidente!). Quindi per la valvola scelta occorre cercare il valore di RL (resistenza di carico anodico) per il funzionamento in classe A, single ended, se si sta lavorando con un amplificatore simile a quello di questa pagina. Nella tabella qua sotto sono riportati i valori tipici per alcune tra le più diffuse valvole finali, europee e americane.

(ringrazio Giuseppe Feniello per la segnalazione di alcuni errori della tabella, corretti il 3/09/12)

I valori riportati sono quelli consigliati per i parametri di alimentazione indicati e vanno intesi come indicativi; se si utilizza la valvola in condizioni molto differenti bisognerebbe cambiare il carico anodico.

Calcolo rapido di un TU da riavvolgere - Un tipico guasto di un amplificatore consiste nell'interruzione dell'avvolgimento primario del trasformatore d'uscita. I paragrafi precedenti ci forniscono tutti i dati per poter calcolare rapidamente il numero di spire N1 del primario, nel caso volessimo riavvolgerlo. I dati che servono sono:

1) L'impedenza Z dell'altoparlante;

2) Numero di spire N2 del secondario;

3) Resistenza di carico RL della valvola in uso.

Il rapporto di trasformazione Rt è dato dalla radice quadrata di RL/Z

da cui N1=N2 x Rt.

Esempio. Valvola: 6L6 (RL = 2.5 kohm); Z: 4 ohm (abbiamo misurato una resistenza di 3.6 ohm); N2 = 70 spire (le abbiamo contate svolgendo il vecchio avvolgimento). Abbiamo Rt = radice(RL/Z)=rad(625)=25; dunque N1=N2xRt=70x25=1750 spire.

In questo modo si evita di dover contare le spire del primario mentre lo si smonta, operazione noiosa e talvolta difficile se l'avvolgimento è molto rovinato o incollato. Per applicazioni particolari sarà bene cercare con cura i dati di applicazione della valvola in uso nelle condizioni reali, dato che come ho detto il valore dei parametri influenza anche la resistenza di carico ottimale.

Resistenza di catodo - L'ultima colonna della tabella di sopra mostra la tensione di polarizzazione di griglia. Si tratta della tensione negativa necessaria a far funzionare l'amplificatore in regime lineare. Questa tensione la si può ottenere con differenti tecniche. Nello schema a inizio pagina è indicato il modo più comune, che consiste nell'inserimento di una resistenza in serie al catodo (polarizzazione automatica). La corrente anodica che fluisce nella resistenza di catodo provoca la necessaria caduta di tensione. Per calcolare il valore della resistenza di catodo Rk2 basta dividere la tensione di griglia che si vuole ottenere per la corrente totale (Ia + Ig2). Per esempio, nel caso della valvola EL84 alimentata con 250V di placca avremo una corrente totale di 53.5 mA con una tensione di griglia di -7 V, quindi la resistenza catodica dovrà avere il valore di (7 V : 0.0535 A) =130 ohm (circa). Questo metodo può essere utile nel caso la resistenza catodica fosse bruciata e non fosse possibile riuscire a leggerne il valore (caso abbastanza frequente). Per un esame dettagliato sugli altri metodi usati per la polarizzazione di griglia vedi il Capitolo V del Radiolibro XII, già citato all'inizio e scaricabile liberamente nell'area Download.

Resistenza di griglia - Lo scopo della resistenza di griglia è quello di mantenere a zero il potenziale medio di quest'ultima, mediante un collegamento a massa. Infatti una griglia controllo priva di qualunque collegamento tende a diventare negativa a causa degli elettroni emessi dal catodo. Il valore della resistenza deve comunque essere abbastanza alto da non creare problemi per il segnale d'ingresso, che altrimenti troverebbe una via facile verso massa e verrebbe attenuato. Per questo si utilizza un valore di resistenza compreso tra 470 kohm e qualche megaohm. In caso di dubbio (resistenza interrotta e illeggibile), il valore di 1 Mohm va quasi sempre bene negli amplificatori con le valvole finali classiche.

Condensatore di accoppiamento - In quasi tutti gli amplificatori a valvole del tipo single ended (a parte quelli speciali o molto antichi) l'accoppiamento tra la preamplificatrice e la finale avviene tramite un semplice condensatore, collegato tra la placca della prima e la griglia controllo della seconda. Questo condensatore viene attraversato dal segnale a bassa frequenza, ma deve essere perfettamente isolante dal punto di vista della corrente continua, per evitare di modificare la polarizzazione di griglia della finale (vedi anche questa pagina). Il valore di capacità viene scelto in modo che la reattanza in bassa frequenza sia trascurabile, o comunque piccola rispetto all'impedenza d'ingresso dello stadio successivo (in pratica la resistenza di griglia della finale). Per esempio, un condensatore da 20000 pF (20 nF) offre una reattanza di circa 100 kohm alla frequenza di 100 Hz, di meno di 10 kohm a 1000 Hz, per questo viene spesso usato per accoppiamento negli stadi con 1 Mohm di resistenza d'ingresso.

Stadio preamplificatore - La prima valvola è in genere un triodo, meno frequentemente un pentodo; svolge il compito di amplificare in tensione il segnale d'ingresso. La corrente che circola in questo stadio è piccolissima, dell'ordine di 1 mA o anche meno; in questa fase le potenze in gioco sono pure minime, dato che come abbiamo visto l'impedenza d'ingresso dello stadio finale è molto elevata. I valori della resistenza di carico Ra e della resistenza di catodo Rk1 vanno scelti in base alla valvola utilizzata e alla tensione di griglia richiesta. In caso di dubbio il carico anodico può essere scelto di un valore compreso tra 100 e 500 kohm, si tratta in genere di un valore non particolarmente critico. Per quanto riguarda la resistenza di catodo, il suo valore può essere di qualche migliaio di ohm, ma in certi casi viene omessa del tutto.

Come mai certe volte il catodo della preamplificatrice è collegato direttamente a massa? - Osservate il frammento di schema qua sotto. La preamplificatrice è il triodo della EBC41, una valvola molto usata negli anni '50.

Il catodo risulta collegato direttamente a massa. Questo però non vuol dire che il triodo possa lavorare con polarizzazione di griglia uguale a zero, perché, come sappiamo, il regime di funzionamento lineare di una valvola prevede che la griglia sia a potenziale negativo. L'apparente incongruenza si spiega osservando il valore della resistenza di griglia: ben 25 Mohm in questo caso. In altri casi la resistenza è di 10 Mohm. Un valore così elevato fa sì che sulla griglia si formi una tensione leggermente negativa a causa del bombardamento di elettroni emessi dal catodo. Questi elettroni vengono convogliati verso massa mediante una piccola corrente attraverso la resistenza di griglia. E' proprio questa piccola corrente a generare la polarizzazione necessaria. In questo caso si parla di "polarizzazione per corrente di griglia". D'altra parte, data la piccola ampiezza del segnale d'ingresso e la piccola corrente anodica, è sufficiente un valore di griglia leggermente negativo per assicurare il funzionamento lineare.

Circuito d'ingresso - Infine, procedendo a ritroso nel nostro semplicissimo amplificatore, troviamo l'ingresso del segnale da amplificare. Questo viene applicato in genere a un potenziometro avente un valore di resistenza piuttosto elevato (da 250 kohm fino a qualche Mohm), e di caratteristica logaritmica, in modo da provocare nell'orecchio umano una sensazione di regolazione graduale (l'orecchio ha una risposta logaritmica agli stimoli sonori). Il condensatore d'accoppiamento che va dal cursore del potenziometro alla griglia della valvola preamplificatrice (C1), può avere una capacità inferiore a quella di C2, data l'altissima impedenza d'ingresso della valvola, ma dovrà anch'esso avere un isolamento perfetto, per evitare di contribuire alla delicata polarizzazione di griglia.

Che rendimento ha un amplificatore di questo tipo? - Intanto, definiamo come rendimento il rapporto tra la potenza assorbita, fornita dall'alimentatore, e quella inviata all'altoparlante. Nel caso di un amplificatore in classe A,  il punto di lavoro viene scelto in una zona intermedia della curva caratteristica della valvola, in modo che le escursioni positive e negative del segnale mantengano la valvola in condizioni di amplificazione lineare, lontano dall'interdizione e dalla saturazione. In pratica quindi qualunque sia l'ampiezza del segnale la corrente anodica media non cambia. Ciò significa che un amplificatore del genere consuma una potenza costante qualunque sia il livello del segnale d'ingresso, e non è quindi vero che abbassando il volume si possa risparmiare energia elettrica. Quindi si va da una condizione di rendimento nullo, quando il volume è regolato al minimo, a un rendimento massimo quando l'ampiezza del segnale e' massima. Il massimo rendimento teorico in condizioni ottimali di adattamento di impedenza non supera mai il 50%, e, come ho detto, si può ottenere solo per la massima potenza d'uscita, cosa che difficilmente avviene in condizioni di ascolto normali, ossia col potenziometro del volume regolato a metà ampiezza. Si può quindi valutare in buona approssimazione un rendimento del 25% in condizioni normali, solo per quello che riguarda la corrente anodica. Inoltre c'e' la corrente di griglia-schermo, che consuma energia senza produrre potenza d'uscita, e la corrente del filamento, che serve solo a riscaldare il catodo. In questo modo si scende ancora, fino al 10% circa, ed è questo il rendimento medio di un amplificatore in classe A del tipo descritto.

Dove finisce la potenza non utilizzata? - Si trasforma in calore, principalmente all'interno della valvola finale, che infatti diventa caldissima, ma anche nel trasformatore d'uscita e nella resistenza di catodo. Ovviamente anche l'alimentatore dissipa la sua quota di potenza, ma quella non è conteggiata nel bilancio del rendimento.

Esistono amplificatori a valvole con rendimento maggiore? - Certo, sono gli amplificatori in classe AB o B, ossia quelli che funzionano con due valvole in controfase (push-pull). Sono usati per amplificatori di grande potenza, dove uno schema semplice come quello descritto qui non potrebbe erogare tutta la potenza richiesta. Sono descritti in dettaglio in altre pagine di questo sito, per esempio nei documenti indicati a inizio pagina.

Conclusioni - Abbiamo visto una breve carrellata sulla funzione dei vari organi di un amplificatore di bassa frequenza a una sola valvola finale (single ended) in classe A, ossia in regime di funzionamento lineare. Suggerisco caldamente di scaricare e leggere con cura i documenti di riferimento che ho indicato all'inizio di questa pagina