[ TNT | Redazione | Ampli | Diffusori | Sorgenti | Tweakings | Inter.Viste | Termoionica Applicata ]

Le Idee di Termoionica Applicata

I parametri dei triodi

Nell'articolo The Simpre: un pre minimale abbiamo descritto un semplice preamplificatore (uno dei più semplici possibili realizzabili con delle valvole...).
Credo che sia importante però anche per l'autocostruttore medio capire almeno le basi elementari della progettazione di elementi a valvole.

Per questo nel seguito cercherò di spiegare nella maniera più semplice e chiara possibile alcuni concetti base relativi alle caratteristiche delle valvole e alle modalità di progettazione di uno stadio molto semplice.
Premetto che, nonostante abbia delle buone basi di partenza, non sono un professionista del settore, anche se mi sono occupato in passato di progettazione hardware a livello professionale.
Perciò gradirei molto ricevere feedback, consigli e correzioni a quanto segue dagli amici lettori più esperti che dovessero rilevare imprecisioni (o peggio) e dai meno esperti che dovessero rilevare punti poco chiari od abbiano bisogno di ulteriori chiarimenti.

Modalità di funzionamento di un tubo elettronico

Il funzionamento di un tubo elettronico è in linea di principio estremamente semplice.

Un corpo metallico o comunque conduttore portato ad una temperatura adeguata emette degli elettroni che, se l'elettrodo si trova ad un potenziale sufficientemente negativo rispetto ad un secondo corpo conduttore e se fra i due elettrodi viene fatto un vuoto estremamente spinto, da luogo ad una corrente elettrica fra i due elettrodi.

Il flusso di elettroni (cariche negative) va sempre dall'elettrodo surriscaldato e a potenziale negativo (catodo) all'elettrodo positivo (anodo).

Perciò la corrente può scorrere solo dall'anodo verso il catodo.
Il riscaldamento del catodo è ottenuto di solito tramite un circuito separato che permette di far scorrere una corrente in un apposito filamento (riscaldatore) inserito all'interno del catodo stesso; in valvole particolarmente pregiate, dette a riscaldamento diretto, il catodo stesso è costituito da un filamento reso incandescente da una corrente *di servizio* relativamente elevata e che viene portato ad un potenziale opportuno.

Un qualsiasi tubo quindi si comporta in modo analogo ad una valvola monodirezionale per fluidi, come quelle degli pneumatici della bicicletta, tanto per intenderci.
Tale caratteristica viene sfruttata in tubo con i soli due elettrodi citati (più un meccanismo riscaldatore): tale tubo viene denominato diodo termoionico.

Il diodo è usato per raddrizzare le correnti alternate: la tecnica è del tutto analoga a quella degli pneumatici della bicicletta: alla pompa viene applicata una azione alternata, che produce una pressione alternata sulla valvola dello pneumatico; tuttavia mentre se la pressione esterna è maggiore di quella interna la valvola si apre, quando la pressione interna è superiore a quella esterna, cioè lo stantuffo torna indietro, la valvola resta chiusa, non permettendo all'aria pompata dentro di uscire e mantenendo una pressione costante all'interno dello pneumatico.
Per completare l'analogia, si deve ammettere che lo pneumatico è... bucato, cioè c'è un flusso d'aria continuo e (quasi) costante che sfugge: quindi arrivati ad una certa pressione anche pompando a pieno regime la pressione non cresce più.

Nel caso degli alimentatori il diodo (la valvola) è seguito da un condensatore (lo pneumatico) che viene caricato (gonfiato) ma dal condensatore viene spillata la corrente continua di alimentazione (l'aria che sfugge continuamente dal buco) per l'apparato alimentato.
L'analogia va anche oltre: lo pneumatico bucato resta gonfio per un po' anche se l'alimentazione (il pompaggio cessa, esattamente come un condensatore di alimentazione si scarica poco per volta anche se l'alimentazione cessa.
Se ora in un diodo termoionico si va ad inserire fra catodo ed anodo una griglia metallica scollegata, non si hanno variazioni nel comportamento elettronico del sistema.
Ma applicando una tensione alla griglia rispetto al catodo si può variare il comportamento del circuito.
In particolare applicando una tensione negativa rispetto al catodo si interferisce con il passaggio degli elettroni dal catodo verso l'anodo, in quanto il potenziale negativo tende a respinge le cariche negative degli elettroni; perciò quanto più è negativa la griglia, tanto meno elettroni riescono a passare dal catodo all'anodo e quindi la corrente che circola nel tubo decresce.
Se invece la griglia è positiva rispetto al catodo, gli elettroni sono ulteriormente attratti ed accelerati dalla griglia, il flusso di elettroni dal catodo all'anodo aumenta e quindi anche la corrente nel tubo aumenta; in realtà un certo numero di elettroni viene decisamente attirato dalla griglia e vi si ferma, creando una certa corrente addizionale che fluisce dalla griglia verso il catodo.
Un tubo con i tre elettrodi citati è un triodo.

Vi sono poi altri tipi di tubi più complessi come il tetrodo ed il pentodo, ma il principio base non cambia.
Ad esempio il pentodo ha cinque elettrodi, un catodo, un anodo e tre griglie; delle tre griglie la prima che si incontra partendo dal catodo (la griglia di controllo) ha lo stesso scopo della griglia del triodo, la seconda (griglia schermo) viene collegata ad un potenziale positivo ed ha lo scopo d accelerare gli elettroni nella corsa verso il catodo, mentre la terza (griglia soppressore) è di solito collegata internamente al catodo ed ha lo scopo di impedire che gli elettroni accelerati dalla griglia schermo tornino indietro ricadendo proprio sulla griglia schermo, invece di raggiungere l'anodo.

La maggiore complessità del pentodo rispetto al triodo permette guadagni molto più elevati, ma è anche la causa della minore linearità delle caratteristiche, che porta a un suono almeno attualmente considerato di qualità inferiore.

I parametri base di un triodo

Vediamo ora i parametri di base di un tubo elettronico, in particolare un triodo (senza comunque escludere del tutto i tubi più complessi...).

SimboloDescrizione
Vf, Uf tensione del filamento: è la tensione da applicare al filamento durante il funzionamento normale. La precisione richiesta per tale versione è in genere decisamente notevole, tipicamente lo scarto ammesso è al massimo del 5%, sia in più che in meno.
If corrente di filamento: è la corrente che circola nel filamento a tensione nominale; è un parametro fondamentale per il dimensionamento corretto dell'alimentatore filamenti.
Va, Ua tensione anodica: è la tensione dell'anodo rispetto al catodo.
Viene di solito riportata una tensione anodica massima accettabile; in alcuni casi viene riportata anche una tensione anodica massima ammissibile a freddo.
S transconduttanza: rappresenta il guadagno in corrente per piccoli segnali rispetto alla tensione di griglia; il suo valore dipende dallo specifico punto di lavoro statico.
uno dei parametri fondamentali della valvola, in quanto fornisce una misura delle sue caratteristiche come amplificatore.
un parametro particolarmente utilizzato in relazione ai pentodi, che hanno una resistenza interna talmente elevata da approssimare piuttosto bene un generatore di corrente controllato in tensione (cioè proprio un amplificatore a transconduttanza).
Ri resistenza interna: è la resistenza interna per piccoli segnali della valvola; è un secondo parametro fondamentale delle valvole.
Anche questo parametro dipende dal punto di lavoro statico.
mu guadagno in tensione: è il guadagno in tensione per piccoli segnali della valvola, specialmente utilizzato per le valvole a bassa resistenza interna come i triodi, che approssimano meglio un generatore di tensione controllato in tensione.
in ogni caso collegato ad S e Ri dalla relazione mu = S * Ri A proposito dei triodi, si distinguono triodi a basso (<20), medio ed alto (>80) mu.
Pa,Wa potenza anodica: è la potenza totale dissipata dalla griglia, calcolabile in modo approssimato come il prodotto tensione anodica Va per corrente anodica Ia; viene indicato sempre il limite massimo, da non superare.
Anzi, più bassa è la dissipazione effettiva, più la vita della valvola si allunga.
Pg potenza di griglia: è la potenza dissipata sulla griglia: in caso di griglia positiva si genera una corrente di griglia assolutamente non irrilevante che produce una ulteriore dissipazione di potenza nel tubo.
Viene indicato il limite massimo, da non superare. Per i pentodi viene indicata anche una dissipazione massima per griglia schermo.
Vb, Ub Tensione di alimentazione anodica
Vf+/k-, Vf-/k+ tensione di filamento (positiva o negativa) rispetto al catodo; è riportato il valore massimo ammissibile di solito separatamente per i due casi di filamento negativo o positivo rispetto al catodo, in quanto i due valori non sono di norma uguali.
In realtà il rispetto di tali limiti garantisce unicamente dal verificarsi *rotture di dielettrico* (cioè scariche elettriche) fra catodo e filamento, ma non dagli altri problemi che una notevole differenza di potenziale catodico rispetto al filamento comporta.
Le regole generali da seguire sono infatti le seguenti:
  • mantenere sempre un percorso di corrente continua fra il catodo ed il filamento (problema degli elettrodi flottanti)
  • ridurre al minimo la resistenza di tale percorso (in alcuni casi viene specificato anche il valore massimo ammissibile: restare sempre al di sotto di tale valore!)
  • ridurre al minimo la differenza di potenziale fra i filamenti e il catodo relativo
  • non superare MAI i valori massimi riportati per tale differenza
Quanto sopra in particolare vieta di utilizzare i due elementi di un doppio triodo (che hanno i filamenti in comune) con i catodi a potenziali decisamente diversi.
Gli effetti che si possono avere sono oscillazioni ad alta frequenza che si rendono udibili come sottili fischi.
D'altra parte la probabilità di fenomeni di questo tipo non è molto elevata, per cui molti prodotti commerciali violano le regole riportate sopra ovviamente solo per risparmiare il costo di un alimentatore filamenti.
Comunque se volte stare tranquilli è sempre meglio usare ciascun doppio triodo metà per un canale e metà per l'altro, con entrambe le metà allo stesso potenziale, pagando l'alimentatore in più.
Si noti che in questa configurazione c'è effettivamente una minore separazione fra i due canali, ma questa è comunque enormemente superiore alla separazione tipicamente presente in qualsiasi registrazione commerciale.
Vg Tensione di griglia rispetto al catodo; viene dato di solito un valore massimo.
Come già implicitamente detto, finchè la griglia resta negativa rispetto al catodo la corrente di griglia è assolutamente trascurabile, ma se la griglia diviene positiva un certo numero di elettroni emessi dal catodo vengono attirati dalla griglia e danno luogo ad una corrente decisamente non trascurabile.
Ik Corrente catodica: viene di solito riportata una corrente catodica massima ammissibile; si noti che dissipazione anodica massima, corrente catodica massima e tensione catodica massima non sono in realtà correlate fra di loro: in particolare si devono rispettare tutti i limiti imposti separatamente da ciascun parametro e non è sufficiente rispettare la sola Pa massima

Un punto assolutamente fondamentale è che i parametri che individuano il comportamento della valvola, mu, s e Ri, non sono delle costanti, ma variano col punto di lavoro prescelto; sui data sheet dei triodi vengono perciò di solito riportati diagrammi da cui è possibile ottenere immediatamente i valori di mu, s, Ri al variare della corrente anodica Ia per vari valori della tensione anodica Va.
Normalmente:

Queste sono le definizioni dei principali parametri di un triodo.
Nel prossimo articolo indicheremo le modalità di calcolo del punto di lavoro di uno stadio a catodo comune.

Come procurarsi i dati tecnici

Il primo passo nella progettazione è quello di procurarsi i dati tecnici fondamentali dei componenti che si intende utilizzare.

Questo è un problema con cui personalmente mi sono sempre scontrato come progettista elettronico per hobby (in passato ma anche oggi!): la difficoltà di reperire a basso costo i dati tecnici dei componenti che devo utilizzare.
Mentre nell'attività professionale tutto sommato esistono canali precostituiti che permettono di approvvigionare la manualistica in maniera relativamente semplice, nel caso dell'autocostruttore la cosa si fa molto più complicata.
Ci sono alcune società (ad esempio Digitex di Firenze) che offrono il servizio di reperire e fornire, anche per posta, i data sheet richiesti, ma a costi generalmente decisamente elevati.
Se spendete un po' di soldi potete provare a chiedere ai fornitori se possono fornirvi i data sheet relativi a quanto acquistato, ma non potete pretendere in questi casi che possano mettersi a fare ardue ricerche: se li hanno sotto mano ed hanno la voglia e il tempo, ve ne procureranno una copia, in caso contrario... bisogna arrangiarsi.

Una fonte potenzialmente molto interessante è Internet: esiste già ad esempio un sito della National Semiconductors che mette a disposizione i data book dei loro componenti principali... speriamo per il futuro!!!

Stavo comunque dicendo di questo problema della reperibilità dei data sheet... semplicemente perchè per le valvole non ci sono grossi problemi!!! Primo punto: le tipologie di valvole AUDIO facilmente ed economicamente reperibili sono POCHE, estremamente diffuse, abbastanza omogeneizzate e standardizzate e, a parte alcune di nascita recentissima, IMMUTATE da più di trenta o quarant'anni...
La documentazione esistente è diciamo così DATATA per non dire antica e quindi facilmente reperibile conoscendo i canali giusti.
Secondo punto: ci sono vari siti Internet che mettono a disposizione data sheet di valvole: basta cercare con un qualsiasi motore di ricerca E88CC o ECC88 per avere una ottima selezione di puntatori interessanti...

Risolto economicamente via Internet questo punto, resta la comodità di un repertorio più o meno completo di tutti i modelli e le sigle prodotte da usare come riferimento.
Ce ne sono parecchi in circolazione, di solito purtroppo ad alto prezzo.
Da questo punto di vista è assolutamente encomiabile la rubrica presente sulla solita Costruire HiFi in cui sono prese in considerazione, una per numero, le varie famiglie di valvole.
Probabilmente il costo di ricostruire l'intera collezione è pari a quello di uno dei repertori, ma mentre questi non hanno testi aggiuntivi, su CHF compare una succinta ma esauriente descrizione delle caratteristiche, pregi, difetti, limiti delle valvole esaminate, evidenziando le differenze fra i vari elementi di una stessa famiglia e le varie marche.
Veramente molto interessante.

L'importanza del repertorio è notevole, perchè se è vero che le valvole sono immutate da anni ed anni, è anche vero che

E' perciò fondamentale avere uno strumento che permetta di riconoscere le varie tipologie e modelli e che riporti le equivalenze fra i vari modelli.

© Copyright 1998 Giorgio Pozzoli

[ TNT | Redazione | Ampli | Diffusori | Sorgenti | Tweakings | Inter.Viste | Termoionica Applicata ]