Amplificatore Valvolare Con Valvole Finali KT 88

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1 PROGETTO In Pole Position per la Ferrari (Camera commercio di Torino e Unione Industriale di Torino) Area tematica: Progettazione Istituto: ITIS Enzo Ferrari di Susa (To) Classe: 5^Elettronica Amplificatore Valvolare Con Valvole Finali KT 88 Studenti Partecipanti: CONTE Marco IOVINO Marco MARCELLINO Marco VARESE Antonio Introduzione: Il nostro progetto consiste nel realizzare un amplificatore valvolare con valvole finali KT 88 capace di amplificare un segnale audio in ingresso prelevato da qualsiasi fonte (mp3, giradischi, lettore cd) ed amplificare tale segnale ad una potenza di 80 watt musicali per canale. Il nostro amplificatore sarà un amplificatore bi-canale. Abbiamo deciso di realizzare questo progetto per curiosità soprattutto poiché eravamo parecchio interessati a sentire la differenza tra un amplificatore valvolare ed un amplificatore a transistor. L'esperienza di costruzione di questo progetto ha confermato che l'elettronica analogica è ancora molto importante anche se molte persone la considerano obsoleta. Per costruire questo dispositivo abbiamo incontrato molte difficoltà poiché alcuni componenti elettronici sono stati difficili da reperire. In questo progetto ognuno dei 4 studenti aveva dei compiti prestabiliti; uno studente ha realizzato i circuiti stampati utilizzando il CAE utilizzato a scuola Ivex, uno studente ha effettuato il montaggio, uno studente ha procurato i componenti elettronici e ha redatto la tesina ed uno studente ha procurato i materiali meccanici e ha realizzato il mobiletto che contiene il dispositivo. Pagina 1 di 13.

2 L'inizio del progetto e le prime basi: Abbiamo trovato le basi per il nostro progetto su una vecchia rivista di nuova elettronica. Dopo aver verificato la fattibilità del progetto, sia per la tempistica che per i costi, abbiamo iniziato a disegnare il circuito stampato, circuito con moltissimi collegamenti e dimensioni meccaniche ridotte. Il primo circuito stampato è stato completato a fine dicembre ma le dimensioni meccaniche erano ancora troppo grandi rispetto al contenitore. Le caratteristiche delle valvole e del loro funzionamento sono state cercate su alcuni vecchi libri di elettronica. Schema elettrico Circuito stampato 1 tentativo (formato A4) Ricerca dei componenti: Per nostra fortuna la rivista Nuova elettronica, sulla quale ci siamo basati per il nostro progetto, forniva un elenco componenti. In principio pensavamo fosse facile reperire tutti i componenti ma dopo qualche tentativo in alcuni negozi ci siamo dovuti ricredere. Il problema era reperire i condensatori poiché, per far rendere il nostro amplificatore valvolare come un amplificatore Hi-fi, servono i precisi valori indicati nello schema. I condensatori hanno sollevato ulteriori problemi per le caratteristiche richieste, ad esempio i condensatori in poliestere a disco e i condensatori con valori fuori standard. Il problema più grande lo abbiamo incontrato per il condensatore che viene utilizzato sia come stabilizzatore che come massa dal valore di 1 mf elettrolitico. In particolare il problema era la tensione nominale superiore a 475V. Molti meno problemi abbiamo incontrato nella ricerca e nel reperimento delle valvole per gli stadi di amplificazione e le valvole finali. Le valvole KT88 sono state comprate in America dove gli amplificatori audio a valvole riscuotono ancora moltissimo successo mentre invece le valvole ECC 82 sono state comprate in Italia in un negozio specializzato nella vendita di valvole di bassa potenza. L intenzione iniziale era quella di usare delle valvole di potenza della Magnadyne, una famosissima fabbrica della val di Susa, ormai chiusa, ma che purtroppo sono impossibili da trovare. Pagina 2 di 13.

3 Lista Componenti - Resistenze Quantità Valore Watt da dissipare 10 1 MΩ ½ W 3 6,8 KΩ ½ W Ω 1 W 2 10 KΩ trimmer / 3 68 Ω 1 W 3 47 KΩ 2 W 3 33KΩ 2 W KΩ 2 W 3 1 KΩ 2 W KΩ ½ W 3 1,5 KΩ ¼ W 3 2,7 KΩ ¼ W 3 10 KΩ ½ W 4 22 Ω 10 W Ω 2 W KΩ 2 W KΩ ¼ W 8 22 KΩ trimmer / -Condensatori: Quantità Valore e tipo Voltaggio nf poliestere 250 V 4 22 µf elettrolitico 63 V 2 5,6 nf poliestere 100 V 2 1 µf 63 V nf 630 V 6 22 µ F elettrolitico 450 V 2 1 nf a disco 4 10 µf elettrolitico 63 V µf elettrolitico 400 V µf elettrolitico 100 V nf polarizzato 100 V 2 4,7 µf elettrolitoco 63 V Pagina 3 di 13.

4 Altri componenti: - 1 ponte raddrizzatore 600V 35 A - 1 impedenza di filtro modello TA diodi 1N zoccoli valvole ECC 82 ( 9 pin) - 4 zoccoli valvole KT 88 ( 8 pin) - 4 valvole KT 88-4 valvole ECC 82 - Un trasformatore d uscita Mod. TA Un trasformatore d alimentazione Mod. TA Un trasformatore Mod. T Un interruttore - Un fusibile da 1,6 A Fine del progetto e ultimi problemi: Abbiamo ridotto le dimensioni del circuito stampato fino al formato A5. Dopo aver stampato la basetta ramata è stato individuato un corto circuito dovuto ad un errore nello schema elettrico. Successivamente abbiamo saputo che i trasformatori ordinati a Dicembre non sarebbero stati disponibili prima di inizio maggio. Per concludere abbiamo deciso di inserire il nostro progetto in una scatola di acciaio, per la resistenza meccanica, con le pareti in plexiglass per poter vedere i circuiti all interno. Circuito stampato Finale (formato A5) Pagina 4 di 13.

5 Scheda Tecnica Le armoniche: Molti esperti di musica concordano sul fatto che un amplificatore valvolare ha un suono pastoso ed una corretta ed equilibrata timbrica, caratteristiche che raramente si avvertono in un amplificatore a transistor, ma pochi conoscono il perché. Le valvole o i finali ad Hexfet, amplificando una frequenza, generano un armonica pari mentre un finale a transistor genera solo armoniche dispari. Per spiegare la differenza tra questi due tipi di armoniche usiamo il disegno della tastiera musicale qui sotto. Se in questa tastiera premessimo la nota LA della 3 ottava, emetteremmo una frequenza di 110 Hz. Se la frequenza venisse amplificata da un circuito a valvole, otterremmo un infinità di frequenze supplementari con armoniche pari, vale a dire: 110 x 2 = 220Hz 220 x 2 = 440Hz 440 x 2 = 880 Hz. Se controlliamo sulla tastiera a quali note corrispondono queste frequenze, scopriamo che queste equivalgono sempre alla nota LA posta sulle ottave superiori. Al contrario se la frequenza del LA della terza ottava (110Hz) venisse amplificata con un circuito a transistor, otterremmo un infinità di frequenze supplementari con armoniche dispari, vale a dire: 110 x 3 =330Hz 330 x 3 = 990 Hz 990 x 3 = 2970 Hz. Controllando nella tastiera a quali note corrispondono queste frequenze, scopriamo che 330 Hz è un MI disaccordato, che 990 Hz è un SI disaccordato e che 2970Hz corrisponde ad un FA # disaccordato. La nota LA emessa da un amplificatore a valvole, accompagnata da altri LA delle ottave superiori, ci darà un suono piacevolmente caldo, perché completo di tutte le armoniche superiori del LA. Quindi con questi esempi numerici possiamo capire perché il nostro orecchio avverte la differenza tra un suono valvolare e un suono transistorizzato. Pagina 5 di 13.

6 Stadio di alimentazione: Lo stadio di amplificazione dev'essere progettato con cura perché altrimenti non riusciremmo a rendere Hi-Fi il nostro amplificatore. Un buon alimentatore deve infatti disporre di una riserva elevata di energia e per ottenere questa condizione occorre usare molti condensatori elettrolitici di elevata capacità. Usando capacità elevate diventa necessario utilizzare un robusto ponte raddrizzatore perché, quando verrà acceso il nostro amplificatore, questo dovrà essere in grado di fornire la corrente richiesta per poter caricare i condensatori. Dal secondario ad alta tensione del trasformatore T2 preleveremo una tensione alternata di 440 V, che applicheremo sull ingresso del ponte raddrizzatore RS1. All uscita di questo ponte otterremo una tensione pulsante, che filtreremo con due condensatori elettrolitici (C16-C17) da 1 mf posti in serie. Questo è stato obbligatorio poiché, avendo una tensione massima di lavoro di 400 V, otteniamo una capacità di 500 µf e 800V di lavoro. Le due resistenze R32 e R33 servono per dimezzare in modo esatto la tensione di filtraggio sui due condensatori e per poterli scaricare una volta spento l amplificatore. Per eliminare il ronzio di alternata, gli avvolgimenti secondari, che forniscono la tensione di alimentazione per i filamenti delle valvole, devono avere una presa centrale che dovrà essere collegata sul negativo del condensatore elettrolitico C17. L avvolgimento indicato Vfil/A verrà utilizzato per alimentare i filamenti delle sole valvole nel canale A, mentre quello Vfil/B per alimentare i filamenti delle sole valvole del canale B. Lo stadio di ingresso e quello pilota del canale A e B devono essere alimentati con 2 tensioni separate e ben filtrate, che verrà prelevata dalle due impedenze ( Z1/A e Z1/B). Il trasformatore T3 serve per ottenere la tensione negativa necessaria per polarizzare le valvole finali V3 e V4. Pagina 6 di 13.

7 Le valvole: Caratteristiche generali delle valvole: Una valvola è costruttivamente simile alla comunissima lampadina, infatti non è altro che un involucro di vetro (in alcuni modelli è di metallo o di ceramica) contenente un filamento metallico nel vuoto il quale viene portato all'incandescenza (tra i ed i C) facendolo attraversare da una corrente elettrica. A differenza della lampadina contiene uno o più elementi metallici (a forma di griglia o di schermi), collegabili dall'esterno. Il filamento metallico, o meglio un tubicino metallico che lo avvolge, è chiamato catodo, l'elemento metallico più esterno è chiamato anodo. Eventuali elementi intermedi sono chiamati griglie di controllo. Il principio di funzionamento della valvola è quello dell'emissione termoionica: ogni metallo, soprattutto ad alte temperature, emette elettroni, cariche elettriche elementari di segno negativo. Se il catodo è polarizzato negativamente rispetto all'anodo, ovvero se il catodo è collegato al polo negativo di una batteria e l'anodo a quello positivo, si stabilirà un flusso di elettroni, ossia una corrente elettrica, tra catodo e anodo (perché gli elettroni vengono attratti dall'anodo). Se la polarizzazione è opposta, nessuna corrente elettrica passerà tra catodo ed anodo, perché l'anodo respingerà gli elettroni. Il risultato è quello di un dispositivo in grado di far passare la corrente in un solo senso, detto rettificatore oppure diodo. Nei primi tipi di valvola, il catodo era a riscaldamento diretto, ossia il catodo era costituito dal filamento stesso. Il sistema venne abbandonato, visti i problemi legati alla necessità di far lavorare i catodi a tensioni diverse (vedi valvole multiple, doppi triodi, triodi-pentodi). Il compito di scaldare il catodo è oggi affidato a un filamento simile a quello delle lampadine a bassa tensione, inserito all'interno di un tubetto in lega di nichel rivestito di elementi che favoriscono l'emissione elettronica (ossidi di bario e stronzio), che costituisce il catodo. Questa soluzione, detta a riscaldamento indiretto, consente inoltre di alimentare i filamenti di differenti valvole di una apparecchiatura con una fonte comune, solitamente un avvolgimento secondario di un trasformatore. Il collegamento tra i filamenti può essere in serie o in parallelo. Se tra catodo ed anodo viene posta una griglia metallica, è intuitivo che se questa è polarizzata positivamente rispetto al catodo, e non all'anodo, gli elettroni emessi dal catodo vi saranno attratti e quindi passeranno attraverso le maglie della griglia per raggiungere l'anodo. Contrariamente, se la griglia è polarizzata negativamente, questa respingerà gli elettroni provenienti dal catodo. Pertanto applicando una tensione variabile tra catodo e griglia, si otterrà un passaggio di corrente tra catodo ed anodo che seguirà, amplificandolo, l'andamento del segnale alla griglia. L'effetto risultante è quello di un'amplificazione di corrente, tale valvola viene chiamata triodo. Il triodo e le sue varianti (tetrodo, pentodo, eptodo, ecc. così chiamati all'aumentare delle griglie di controllo) sono stati i primi dispositivi elettronici fondamentali per l'amplificazione dei segnali elettrici, agli albori dell'elettronica, compiendo quelle funzioni oggi quasi interamente realizzate dai transistori. Pagina 7 di 13.

8 Valvola ECC82 JJ Electronics (Tesla): Nel 1994, JJ Electronic ha iniziato con la produzione di tre tipi di valvole, oggi ne offre un assortimento di oltre 20 tipi. Nel 1999 sono stati aggiunti al programma di fabbricazione i condensatori e amplificatori a valvole. In elettronica un tubo a vuoto, in Nord America tubi di elettroni, altrove, soprattutto in Gran Bretagna, valvola termoionica, ridotto a semplice "tubo" o "valvola" nel linguaggio di tutti i giorni, è un dispositivo che si basa sul flusso di corrente elettrica attraverso il vuoto. Le valvole possono essere utilizzate per la rettifica, l'amplificazione, la commutazione, o per procedimenti analoghi o la creazione di segnali elettrici. Esse contano sull'emissione termoionica di elettroni da un filamento, o catodo caldo, che poi viaggiano attraverso il vuoto verso l'anodo (comunemente chiamato piatto ), che si tiene ad una tensione positiva rispetto al catodo. Gli elettrodi tra il catodo e l'anodo possono alterare lo stato attuale, dando alla valvola la capacità di amplificatore e interruttore. Le valvole sono state cruciali per lo sviluppo della tecnologia elettronica, che ha guidato l'espansione e la commercializzazione di comunicazione radio e di radiodiffusione, televisione, radar, una riproduzione del suono, grandi reti telefoniche, computer analogico e digitale, e il controllo dei processi industriali. L'invenzione della valvola triodo e la sua capacità di amplificazione elettronica ha reso questa tecnologia diffusa e pratica. Nella maggior parte delle applicazioni, le valvole sono state sostituite da dispositivi a stato solido, come i transistor e altri dispositivi a semiconduttore. Dispositivi a stato solido durano più a lungo, e sono più piccoli, più efficienti, più affidabili e più economici delle valvole. Tuttavia, trovano ancora particolari impieghi dove i dispositivi a stato solido non sono stati sviluppati o non sono pratici. Le valvole sono ancora prodotti per queste applicazioni ed in sostituzione di quelli utilizzati nelle apparecchiature esistenti, come trasmettitori radio ad alta potenza. Caratteristiche ECC 82 (doppio triodo pilota): Volt placca Volt griglia Corrente placca Transconduttanza Impedenza d uscita Fattore amplific. 17 Massima potenza 250 V 8-10 V negativi 10,5 ma 2,2 ma/v 7,7 KΩ 2,75 W Valvola ECC 82 JJ Tesla Pagina 8 di 13.

9 Valvola KT88 Electro-Harmonix: Electro-Harmonix è stata fondata da Mike Matthews nel 1968 a New York, USA. Egli era un tastierista che,con un suo conoscente, Bill Berko, un riparatore di audio che sosteneva di avere il suo circuito personalizzato per un pedale fuzz, lavorarono alla costruzione del loro nuovo pedale per una casa appaltante, e ha iniziato a distribuire i pedali sotto un accordo con la chitarra Guild Company. Il pedale consisteva in un semplice circuito e ha utilizzato solo un transistor (questo sarebbe poi diventato noto come il Linear Power Booster (LPB-1), un pedale ancora oggi prodotto. Poco dopo, Matthews fondò l' Electro-Harmonix per la produzione di questo e altri disegni di pedali. Il primo prodotto Electro-Harmonix era l'asse del pedale fuzz, che è stato anche venduto sotto il nome di "Foxy Lady" per l'azienda di chitarre Guild. Diversi dispositivi simili seguirono, come il Booster Treble e Bass Booster. I nuovi dispositivi sono stati estremamente popolari tra i chitarristi. Caratteristiche KT88 (pentodo finale di potenza): Tensione placca Volt polarizzazione G1 Corrente placca Corrente placca Watt max uscita 560 V V negativi 190mA a riposo 290 ma max segnale 108 W musicali Valvole Electro Harmonix (KT88) Pagina 9 di 13

10 Prezzo di realizzazione: I prezzi per realizzare questi progetti sono: Componenti (condensatori, resistenze, ponte raddrizzatore) doppia impedenza modello TA.30 4 valvole KT88 4 valvole ECC82 2 condensatori 1000 µf elettrolitico 400V 2 lastre per circuito stampato 2 fogli di carta blu per stampato 4 zoccoli ECC 82 4 Zoccoli KT88 2 trasformatori di push-pull Un trasformatore d alimentazione Mod. TA. 250 Un trasformatore Mod. T Euro 30 Euro 80 Euro 32 euro 46 Euro 10 Euro 6 Euro 4 Euro 6 Euro 99 Euro 60 Euro 150 Euro Facendo tutti i conti per la spera di qualche componente che si è guastato la spesa complessiva per il nostro progetto è di circa 400 Euro. Suddivisione lavori nel gruppo: per completare il progetto il più velocemente possibile all'interno dei gruppi ci siamo divisi i lavori. Lo studente Marcellino si è occupato della realizzazione degli stampati, dell'assemblamento del circuito di amplificazione senza le valvole e alla stesura definitiva della relazione. Lo studente Iovino si è occupato dell'assemblamento del pezzo comprendente le valvole che per ragioni di spazio sono inserite su una piastra millefori staccata dal circuito stampato. Lo Studente Conte si è occupato della ricerca di informazioni sulle valvole impiegate nel nostro progetto ed alla stesura della prima parte della relazione riguardante le caratteristiche delle valvole. Lo studente Varese si è occupato del dimensionamento e della procura dei materiali per costruire la scatola una volta trovati tutti si è dedicato alla realizzazione della presentazione su Power Point. Pagina 10 di 13

11 Programma CAE utilizzati: Per la realizzazione del circuito stampato è stato utilizzato il programma IVEX che ci è stato fornito dalla scuola. questo programma ci permette di disegnare su un foglio digitale i nostri componenti visti dall'alto ( per scegliere opportunamente la loro dimensione) e di disegnare le piste di rame che collegheranno i nostri componenti. Per verificare se tutti i collegamenti erano corretti abbiamo disegnato lo schema sul programma Schematics poiché disegnando prima su di esso è possibile verificare se tutti i collegamenti erano corretti una volta che passavamo su Ivex. Infatti Ivex fornisce una funzione di controllo ( tramite gli elastici ) che fa si che uno persona sappia sempre se ha dimenticato un collegamento o se dei determinate piste si incrocino sullo stampato. Pagina 11 di 13

12 Tempi di realizzazione Prima Fase del progetto: La prima parte del progetto è stata iniziata agli inizi di dicembre con l'acquisto dei componenti facilmente reperibili e successivamente con la prima stesura del circuito stampato Seconda fase del progetto: La seconda parte del progetto comprende il mese di Gennaio dove sono state scritte le prime parti di tesina ed il circuito stampato è stato rimpicciolito. Terza fase del progetto: Durante febbraio abbiamo avuto poco tempo disponibile perché 2 componenti del gruppo sono stati impegnati a diversi concorsi sportivi che li ha tenuti lontani dal progetto parecchio tempo ma nel mentre gli altri 2 hanno iniziato ad impaginare la relazione di power point. Quarta fase del progetto: durante il mese di marzo sono iniziati i primi problemi poiché dopo la stesura del primo stampato su rame abbiamo trovato dei corti circuiti dove non ci dovevano essere e quindi abbiamo perso parecchio tempo aspettando risposte dalla rivista nuova elettronica. Nel mentre le nostre valvole KT 88 erano partite dall'america. Quinta fase del progetto: Durante il mese di Aprile abbiamo iniziato saldare i primi componenti sulla piastra di rame e verificare che tutto funzioni purtroppo abbiamo perso un pò di tempo a causa della gita e delle uscite didattiche in alcune aziende del territorio. La parte di verifica dei componenti che ha portato parecchio ritardo è anche portato dal fatto che non avevamo i laboratori di elettronica e tdp a disposizione. Sesta parte del progetto: Durante il mese di maggio abbiamo ultimato i collegamenti sulla basetta ma purtroppo non possiamo terminarli per l assenza dei trasformatori di alimentazione e d uscita di ogni canale Conclusioni: Questa esperienza per noi è stata parecchio piacevole anche se in alcuni momenti è stata notevolmente complicata. Per realizzare il dispositivo finale c è voluto molto tempo anche perché abbiamo dovuto correggere alcuni errori e reperire alcuni componenti difficili da trovare in Italia. In allegato c è il circuito stampato a grandezza naturale per far capire l effettiva dimensione di uno dei due stadi d amplificazione. Pagina 12 di 13

13 Valvole dello stadio di amplificazione Pagina 13 di 13

14 Circuito stampato finale: Allegato 1 di 2.

15 Schema elettrico singolo canale: Allegato 2 di 2.