Le Idee di Termoionica Applicata

Scusate il ritardo....

Questo articolo sarebbe dovuto uscire subito dopo quello sul SIMPRE 88SR... mi sembra sia passato qualche mese, in realtà. Nel frattempo molto è bollito in pentola, e almeno l'antipasto è quasi pronto... Ma per ora completiamo il discorso sullo SRPP.

Mi rifaccio all'ormai vetusto articolo sulla progettazione del SIMPRE SE.

Anche nel caso del SIMPRE 88SR l'obiettivo primario consisteva nella massima semplicità e massima riduzione dei costi; perciò lo stadio è il più semplice che si potesse utilizzare. Si è di nuovo scientemente sacrificata l'impedenza di uscita e anche una maggiore raffinatezza di suono ottenibile altre scelte per centrare l'obiettivo.

La scelta del tubo ha le stesse basi del SIMPRE88SE: non le ripeterò qui.

Anche qui lo schema di progetto prevede due fasi successive, una di analisi della polarizzazione in continua ed una di progettazione delle caratteristiche dinamiche sulla base del circuito linearizzato.

Prendiamo in considerazione i soli SRPP con polarizzazione automatica e simmetrici, cioè in cui la resistenza catodica le caratteristiche delle due valvole sono uguali.

Nel caso di stadi SRPP simmetrici la tensione di alimentazione si ripartisce esattamente in parti uguali sull'insieme composto da ciascuna valvola con la propria resistenza catodica, indipendentemente dal resto (almeno in prima approssimazione): nel nostro caso, fissando come sul SIMPRE SE88 la tensione di alimentazione a 230V si hanno 115V su ciascuna valvola e resistenza in serie, un valore decisamente accettabile.

Come passo successivo scegliamo la corrente di polarizzazione: si ripete esattamente il ragionamento fatto nel caso del SIMPRE 88SE, con l'unica eccezione del fatto che la tensione anodica sarà leggermente inferiore a 115V, ed esattamente uguale a 115V meno la tensione di griglia: scegliamo perciò il punto di lavoro in modo da restare in una area abbastanza regolare della caratteristica: poniamo ancora Ik = 3.6mA, ma questo ora si ottiene per una tensione di griglia di circa -3V; la tensione anodica nel punto di lavoro sarà perciò di 115-3=112V.

Sempre nelle ipotesi di SRPP simmetrico, il ragionamento vale per ciascuna delle due valvole: la tensione anodica su ciascuna è uguale a quella dell'altra e la corrente che fluisce in una fluisce anche nell'altra, e lo stesso avviene nelle due resistenze catodiche in serie ai tubi: perciò le due valvole sono polarizzate esattamente nello stesso modo.

Ora potremmo anche tracciare la retta di carico. Se ipotizziamo sempre che l'SRPP sia simmetrico, allora possiamo studiare il problema come se si stesse lavorando con una sola valvola e la sua resistenza catodica, con una tensione di alimentazione pari a metà di quella effettiva. Si ha quindi un caso particolare, in cui la resistenza anodica è nulla (è in realtà lo stesso caso degenere, ma comunissimo, che si ottiene con il carico induttivo o con l'accoppiamento a trasformatore).

Per il resto la retta si traccia come al solito: in pratica è una retta che:

• interseca l'asse della tensione alla tensione di alimentazione anodica
• interseca l'asse della corrente alla corrente corrispondente alla tensione di alimentazione anodica divisa per la somma delle resistenze di anodo e di catodo
• passa per il punto di lavoro scelto della valvola.

Nel nostro caso la retta sarà quasi verticale e l'intersezione con l'asse della corrente avverrà molto lontano dalla zona rappresentata nel grafico: in ogni caso il primo e terzo punto sopra indicati della retta sono noti e auindi la retta è perfettamente specificata.

Ora si deve calcolare il valore della resistenza catodica.

Nel nostro caso la corrente catodica (uguale a quella anodica, a meno che non vi sia una corrente di griglia significativa, cosa che si verifica solo se la griglia viene a trovarsi positiva rispetto al catodo) è per costruzione pari a 3.6mA, la tensione del catodo rispetto a massa deve essere di 3V, quindi la resistenza catodica richiesta è di

Rk = Vg / Ia = 3V / 3.6mA = 0.8 kohm

Questa è la resistenza catodica da usare sia pr la valvola alta che per quella bassa.

Per concludere, in pratica il punto di lavoro può essere fissato liberamente, tenendo conto di tutti i vincoli dati dai valori massimi ammissibili per le varie grandezze, ma una volta fissato questo e la tensione di alimentazione tutti gli altri elementi sono definiti di conseguenza.

Per quanto riguarda la scelta del punto di lavoro, valgono anceh qui le considerazioni fatte per il SIMPRE 88SE.

Si usano esattamente i modelli che abbiamo già visto nel caso del SIMPRE 88SE, ma l'applicazione è molto più complessa.

Utilizzando questo modello dello stadio possiamo ora calcolare l'effettivo guadagno in tensione.

Le equazioni sono riportate qui di seguito; si indica con I la corrente che circola nei tubi dall'anodo verso il catodo.

- mu2 * V2 + I * Ri2 + I * R2 - mu1 * V1 + Ri1 * I + R1 * I = 0

V2 = - I * R2

V1 = Vin - R1 * I

I * (mu2 * R2 + Ri2 + R2 + Ri1 + R1) - mu1 * Vin + mu1 * R1 * I = 0

mu1 * Vin = I * ((mu2 + 1) * R2 + (1 + mu1) * R1 + Ri1 + Ri2)

Vout = mu2 * V2 - Ri2 * I = - (mu2 * R2 + Ri2) * I

Alla fin fine si ottiene la relazione

La formula come si vede permette il calcolo anche di SRPP che prevedono valvole diverse o punti di lavoro diversi per le due valvole previste.

Analizziamo la formula ottenuta. Anche qui per prima cosa si vede che il rapporto (guadagno in tensione) fra Vout e Vin è negativo: l'uscita di anodo è cioè invertente. Poiché sembra che sia possibile riconoscere la fase assoluta del segnale, è opportuno, nel caso in cui si utilizzi una catena di amplificazione complessivamente invertente (contenente un numero dispari di componenti invertenti), attaccare il cavo di potenza al contrario rispetto al solito (cioé collegando il morsetto positivo delle casse con quello negativo dell'amplificatore, e non positivo con positivo come si fa di solito).

Per applicare le formule ad un caso pratico, ad esempio il circuito del SIMPRE 88SE, si devono prendere alcune precauzioni: in particolare la formula NON TIENE CONTO DEL CARICO.

Applicando le formule complete al circuito del SIMPRE 88SR (ipotizzando una impedenza interna di 4K) si ottengono i seguenti risultati

contro i 15.5 delle simulazioni più accurate.

Nel caso di uscita anodica si utilizza spesso un condensatore di bypass sulla resistenza catodica della valvola bassa. L'effetto di questo bypass sul modello è quello di far scomparire dallo schema per piccoli segnali la resistenza catodica R1: infatti a centro banda si suppone che il condensatore abbia una impedenza trascurabile al segnale. La formula diviene perciò

Da qui è chiaro che la presenza del condensatore di bypass produce un incremento del guadagno dello stadio. Nel caso del SIMPRE 88SR, se si introducesse un condensatore di bypass sulla resistenza catodica il guadagno passerebbe da 12.5 a 29.5! Il condensatore non è stato previsto semplicemente perché in uno stadio linea tutto quel guadagno non serve, ed anzi è scomodo.

Il calcolo dell'impedenza di uscita, ipotizzata resistiva in prima approssimazione, può essere svolto ponendo a zero la tensione di ingresso, applicando all'uscita un generatore di tensione di valore Vo e calcolando la corrente che circola nell'uscita in funzione della tensione applicata: si ottiene in definitiva la formula

Rout = Ri2 * ((mu1 + 1) * R1 + Ri1 + R2) / ((mu2 + 1) * R2 + (mu1 + 1) * R1 + Ri1 + Ri2)

che applicata al SIMPRE fornisce il valore

Rout = 2.28kohm

contro i 2.35k delle più accurate simulazioni.

L'SRPP viene spesso considerato come un circuito con una distorsione particolarmente bassa, il che non è del tutto corretto. Si dice anche che l'SRPP ha la strana caratteristica, rispetto ai normali stadi di guadagno, di avere la distorsione che decresce al decrescere dell'impedenza del carico, ed anche questo non è del tutto corretto.

Ciò che si verifica è che al decrescere dell'impedenza del carico la distorsione cresce regolarmente, fino ad un determinato valore dell'impedenza. Riducendo ancora l'impedenza del carico, la distorsione comincia invece a decrescere e raggiunge un minimo, oltre il quale comunque c'è una crescita piuttosto decisa della distorsione. Questo fenomeno è stato in tempi (relativamente) recenti analizzato e sfruttato da Bartolomeo Aloia nelle sue realizzazioni.

La conoscenza di questo fenomeno permette perciò di minimizzare la distorsione di uno stadio SRPP semplicemente scegliendo opportunamente l'impedenza del carico. La cosa diviene molto interessante perchè le impedenze di cui si parla sono generalmente piuttosto ridotte: ad esempio da delle simulazioni che ho fatto risulterebbe che in un caso molto simile a quello del SIMPRE la distorsione cresce in modo inversamente proporzionale al carico al decrescere di questo al di sopra dei 50kohm, poi ricomincia a decrescere fino a un minimo collocato intorno ai 15k ohm di impedenza del carico e al di sotto dei 15kohm ricomincia a crescere in maniera molto rapida. In pratica la distorsione con una impedenza di 50kohm è quasi doppia di quella con un carico di 15 kohm.

Aloia perciò nelle sue realizzazioni adotta la tecnica di minimizzare la distorsione appunto mediante la selezione accurata del carico.