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COSTRUZIONE DI ALIMENTATORI A VALVOLE TERMOIONICHE PER RADIORICEVITORI

di Marco Gilardetti

Questo articolo, scritto originariamente per Le Radio Di Sophie, è stato pubblicato
sulla rivista Costruire HiFi (numero 99, Blu Press s.r.l., Maggio 2007).
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Gilardetti M.: Costruzione di alimentatori a valvole termoioniche per radioricevitori. Il web (leradiodisophie.it), Luglio 2008.

   Uno dei problemi da affrontare nella progettazione di un buon alimentatore è dunque la riduzione della tensione di ondulazione che,  se malamente filtrata,  può provocare disturbi audio,  desintonizzazione e malfunzionamento generale dell'apparecchio.   E' chiaro che se il periodo di tempo in cui i condensatori di filtro sono in fase di scarica potesse essere ridotto,  la tensione di ondulazione ne trarrebbe un enorme beneficio.   Se si potessero "ribaltare" le semionde negative in uscita dal trasformatore di alimentazione in modo da raddoppiare (da 50 Hz a 100 Hz) la frequenza delle pulsazioni della corrente diretta,  il compito del filtro di spianamento sarebbe assai facilitato.

   Una prima strada percorribile per raggiungere questo obiettivo è quella di servirsi di un trasformatore con due avvolgimenti secondari ad alta tensione utilizzati in controfase (figura 2.1-a).   In questo modo,  quando nell'avvolgimento superiore è presente una semionda di tensione negativa che porta il diodo in interdizione,  la corrente può essere prelevata dall'avvolgimento inferiore sul quale nello stesso istante è presente una semionda positiva.

Figura 2.1 - a) Trasformatore con doppio secondario; b) Trasformatore con presa centrale.

   Nella pratica,  poiché i due terminali A e B s'intendono da collegarsi sempre allo stesso potenziale (ovvero a massa),  in generale essi non sono costruttivamente distinti come in a,  ed anche i due avvolgimenti non sono separati ma sono realizzati come un unico avvolgimento di lunghezza doppia su cui è realizzata una presa centrale (central tap in lingua inglese) da collegare a massa (figura 2.1-b).

   In figura 2.2 è riportato lo schema di un alimentatore che sfrutta entrambe le semionde,  basato su una raddrizzatrice con filamenti a riscaldamento indiretto e filtro a capacità-induttanza di tipo Π.   Salvo piccole varianti,  è in assoluto il tipo di alimentatore che è stato più impiegato nei radioricevitori commerciali precedentemente all'introduzione dei raddrizzatori al selenio.

Figura 2.2 - Alimentatore a doppia semionda con filtro capacitivo-induttivo e raddrizzatrice a riscaldamento indiretto.

Tabella 2.1 - Valori al banco di prova per l'alimentatore di figura 2.2. Si osservi come, col raddrizzamento a doppia semionda, il dato relativo alla tensione di ondulazione migliori non di un fattore 2 (come l'intuito lascerebbe supporre) ma di un fattore circa pari a 4.

   I vantaggi che un alimentatore a doppia semionda presenta rispetto ad un alimentatore a semionda singola sono molteplici,  e non riguardano solo il miglioramento della tensione di ondulazione ma anche altri aspetti (ad esempio viene evitata la saturazione del nucleo del trasformatore, poiché esso è percorso da correnti di verso alternato).   I trasformatori con presa centrale sono tuttora disponibili - nuovi - grazie al mercato dell'alta fedeltà valvolare,   ma purtroppo trovarne uno a buon mercato può essere un problema di non facile soluzione.

Figura 2.3 - Asimmetrie nella tensione d'ondulazione causate da lievi differenze di prestazione dei due diodi. Fotografia della traccia lasciata sullo schermo di un oscilloscopio a memorie.   (1div = 5mV)

   Qualora si decidesse di utilizzare una raddrizzatrice a riscaldamento diretto,  il circuito di figura 2.2 andrebbe modificato come nello schema di figura 2.4.   Dal punto di vista concettuale,  il funzionamento dei due alimentatori è identico,  e l'unica differenza risiede nel circuito dei filamenti e nella necessità di un terzo avvolgimento apposito sul trasformatore per il loro riscaldamento.   Restano valide tutte le considerazioni - sia positive, sia negative - già esposte nel paragrafo precedente.

 Figura 2.4 - Alimentatore a doppia semionda con raddrizzatrice a riscaldamento diretto.

   Lo schema proposto,  con doppio filtro Π,  è realizzato con componenti contemporanei e riprende il più fedelmente possibile la sezione di alimentazione di radio d'alta gamma (es.: Quadri Unda) e di progetti di Ravalico destinati ad amplificatori di potenza [13].   E' un tipico alimentatore destinato ad apparati sofisticati e di potenza medio-elevata.   Come già accennato,  al posto della "filologica" valvola 80 può essere utilizzata una 5Y3 con zoccolo octal (che è tuttora in produzione)  e la bobina di eccitazione dell'altoparlante elettrodinamico può essere sostituita con una comune induttanza di filtro per alimentazione anodica.

    In mancanza di un trasformatore con presa centrale,  un secondo sistema per raddoppiare la frequenza della corrente diretta "ribaltando" le semionde negative è il circuito raddrizzatore a ponte detto di Graetz.   Lo schema di principio di questo raddrizzatore è illustrato in figura 2.5-a;   come si vede esso impiega quattro diodi che sono percorsi alternativamente (a coppie contrapposte) dalla corrente.   Durante le semionde positive,  i diodi D2 e D4 sono in conduzione,  mentre durante le semionde negative sono in conduzione i diodi D3 e D1.

Figura 2.5 - Ponte di Graetz: a) schema di principio; b) realizzazione con diodi a vuoto (da [4]).

   Attualmente il ponte di Graetz è una soluzione quasi standard negli alimentatori a trasformatore con diodi al silicio,  e fu molto utilizzato anche in passato in seguito all'adozione dei raddrizzatori al selenio;   viceversa,  nel caso degli alimentatori a valvole,  il suo impiego fu ostacolato da ragioni d'ordine economico e tecnico e non ebbe mai grande fortuna (per non dire che non fu mai utilizzato).   Difatti,  in tempi in cui i tubi elettronici erano molto costosi,  era senz'altro preferibile eseguire qualche avvolgimento in più sul trasformatore d'alimentazione e dotarlo di una presa centrale piuttosto che dover impiegare due raddrizzatrici (oggi, viceversa, il costo di quattro diodi al silicio è irrisorio rispetto a quello di un trasformatore con presa centrale).   Inoltre il particolare tipo di collegamento richiede che i catodi delle valvole impiegate siano tra loro separati:   non è possibile realizzare il ponte semplicemente con una coppia di normali raddrizzatrici biplacca a catodo comune.   Infine,  se si volessero usare valvole con catodo a riscaldamento diretto,  la realizzazione del circuito diverrebbe pressoché proibitiva (capitolo II.4).

   Per quanto detto,  una costruzione "pulita" del ponte di Graetz non è un problema banale.   E' certamente possibile lanciarsi in una realizzazione onerosa e ridondante (con quattro diodi singoli) oppure pasticciata (come ad esempio con tre doppi diodi, di cui due utilizzati solo in parte).   Non sembrano esistere valvole esplicitamente costruite per questo tipo di circuito:   tubi come il quadruplo diodo 6JU8 possono trarre in inganno,  ma il dato relativo all'erogazione di corrente (appena 9 mA) rende evidente che non si tratta di dispositivi studiati per l'alimentatazione di potenza.   Per giungere ad una ingegnerizzazione elegante del circuito la scelta migliore è probabilmente quella di una coppia di rettificatrici a doppio catodo.

Figura 2.6 - Ponte di Graetz realizzato con una coppia di 6BY5-GA.

Tabella 2.2 - Valori al banco di prova per l'alimentatore di figura 2.6, con due differenti bobine di spianamento. E' l'alimentatore con le prestazioni migliori tra tutti quelli presentati. 

   Una delle pochissime rettificatrici a doppio catodo con filamenti riscaldati a 6,3 Volt e con uno zoccolo "normale" (Octal) è la 6BY5-GA.   Essa fu posta in commercio come duplicatrice di tensione,  ma si presta bene all'utilizzo improprio in un circuito a ponte.   In figura 2.6 è mostrato lo schema pratico di un alimentatore a ponte di Graetz basato su una coppia di queste valvole,  seguito dal classico filtro Π.   Un'altra valvola di reperibilità non impossibile ed altrettanto adatta allo scopo è la EZ150,  ma il suo problema risiede nello zoccolo:   un Y10A-ST40 non certo semplice a trovarsi.   Anche la FIVRE produsse una valvola a doppio catodo con un comunissimo zoccolo Octal:   la 6AW5-GT.   Purtroppo è la valvola stessa,  in questo caso,  ad essere pressoché irreperibile.   A parte le tre valvole citate,  non vi sono molti altri esempi di doppie rettificatrici con filamento a 6,3 Volt: 12DF5 e 7X6;   e la loro reperibilità è a dir poco problematica.   Con una coppia di ciascuna di esse,  comunque,  in linea di principio sarebbe possibile realizzare un alimentatore a ponte del tipo di figura 2.6.

Figura 2.7 - L'accattivante aspetto di un alimentatore a ponte di Graetz, con le fascinose 6BY5-GA in bella mostra. La bobina di spianamento è disposta ortogonalmente al trasformatore di alimentazione per rendere minimo l'accoppiamento induttivo tra i due elementi. Il dispositivo è assemblato su una formella per plum-cake della ditta Ikea.

   Può essere interessante osservare che,  tra le duplicatici di tensione,  ne è anche stata prodotta una - la 117Z6 - adatta all'alimentazione in corrente dei filamenti sulla rete statunitense (110 V).   Una coppia di queste valvole,  pertanto,  si presta ad un audace collegamento in serie dei filamenti sulla tensione di rete europea (230 V) consentendo la realizzazione di un ponte di Graetz (figura 2.8).   Si noti come,  anche in questo caso,  il trasformatore necessario sia di tipo semplicissimo:   niente presa centrale ed un solo secondario a 6,3 V per le altre valvole del ricevitore.

Figura 2.8 - Un espediente consente di alimentare in corrente una coppia di 117Z6 e realizzare un alimentatore a ponte.

   Per quanto riguarda l'impiego di raddrizzatrici a riscaldamento diretto,  il circuito a ponte di Graetz è talmente difficile da realizzare da avere una valenza quasi esclusivamente teorica.   Difatti,  riprendendo lo schema di principio di figura 2.5-b,  è facile rendersi conto che i catodi di D2 e D3 sono allo stesso potenziale,  che però è differente da quello del catodo di D1 il quale a sua volta è differente da quello di D4 e di tutti gli altri.   Non è dunque possibile realizzare il consueto collegamento in serie tra alimentazione del filamento e alta tensione anodica come in figura 1.13,  poiché i filamenti non si troverebbero sottoposti alla stessa tensione.   Sarebbe necessario disporre di un trasformatore con almeno 3 avvolgimenti secondari a 5 V solo per le rettificatrici,  più un secondario a 6,3 V per i restanti filamenti ed un secondario ad alta tensione per gli anodi:   una serie di richieste davvero improponibili.

   Ciò detto,  risulterà evidente che una realizzazione pratica del ponte con raddrizzatrici di tipo comune è di tutt'altro che facile attuazione.   Una delle poche idee concrete reperibili in letteratura è riportata nello schema di massima di figura 2.9,  dove è impiegato un trasformatore con un unico secondario ad alta tensione e ben tre sotto-trasformatori a bassa tensione per i filamenti.   Questi trasformatori di filamento sono alimentati direttamente dalla corrente di rete,  e l'alta tensione da rettificare è applicata a ciascun filamento/catodo tramite una presa centrale sul loro secondario.   E' una soluzione molto raffinata,  ma di non certo semplice messa in opera.

Figura 2.9 - Schema di principio di un ponte di Graetz realizzato con una terna di sotto-trasformatori per l'alimentazione dei filamenti; da [3].

   Per aggirare l'ostacolo,  si può pensare di rimpiazzare i due diodi più "critici" (D1 e D4) con due dispositivi a stato solido,  e di utilizzare un'unica raddrizzatrice a vuoto (anche con catodo in comune) per la rimanente coppia di diodi.   In figura 2.10 è presentato un alimentatore ibrido costruito secondo il principio appena menzionato.   Questo tipo di schema è divenuto molto popolare nel settore dell'alta fedeltà poiché l'unica valvola impiegata è rivolta a valle (tipicamente verso un amplificatore) e le caratteristiche sonore del circuito sono quindi determinate dalla valvola stessa e non dai diodi al silicio che la precedono.

Figura 2.10 - Ponte di Graetz ibrido a semiconduttori / tubi a vuoto.

Tabella 2.3 - Valori al banco di prova per l'alimentatore di figura 2.10, con due differenti bobine di spianamento. Le prestazioni di questo alimentatore testimoniano la validità del progetto su cui è basato. 

   Quella presentata è dunque una soluzione mista,  ma dal punto di vista sonoro può ritenersi totalmente valvolare ed è di realizzazione semplicissima poiché non richiede nemmeno la separazione dei catodi nell'unica rettificatrice impiegata.   Va da sé che con una semplicissima modifica al circuito di filamento lo stesso progetto può essere realizzato attorno ad una rettificatrice con catodo a riscaldamento indiretto.

Figura 2.11 - I due corposi diodi di potenza 1N5408 agevolmente nascosti al di sotto del telaio.

BIBLIOGRAFIA:

[1] Mureddu L.: Radio Antiche. Tecnica, riparazione, restauro. Mosè edizioni, Maser, 2005.
[2] Mureddu L.: L'alimentatore. Il web (leradiodisophie.it).
[3] AA. VV.: Navy electricity and electronics training series. Module 6 - Introduction to electronic emission, tubes and power supplies. NAVEDTRA 14178 (approved for public release).
[4] Montù E.: Radiotecnica. Volume III. Pratica di radiotrasmissione e ricezione. Ulrico Hoepli, Milano, 1944.
[5] AA. VV.: “Manuale di radiotecnica ad uso delle scuole militari”. (Sconoscesi). Il web (leradiodisophie.it).
[6] Cottignoli F., Baccarini A., Bassura P.: Fondamenti di elettrotecnica ed elettronica. Calderini, Bologna, 1991.
[7] Millman J., Halkias C.C.: Microelettronica. Bollati Boringhieri, Torino, 1978.
[8] Kronjäger J.: Basic multiplier circuits. Il web (kronjaeger.com).
[9] Chiappetta F.: Magnum: amplificatore monotriodo SEP 845.Costruire HiFi, N° 44, Dicembre 1999.
[10] Loria L.: Alimentatore variabile per circuiti a valvole. Il web (leradiodisophie.it).
[11] Gallino R.: Fisica II. Parte prima: elettrostatica - corrente elettrica. Bellocchio & Delton, Torino.
[12] Vinassa de Regny E., Vinassa de Regny M.: I segreti della radio. Mondadori, Milano, 1976.
[13] Ravalico D. E. - L' audiolibro. Elementi basilari e recenti applicazioni della tecnica del suono. IIª edizione. Milano, Hoepli, 1953.

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