TRACCIACURVE PER TUBI ELETTRONICI E PROGETTO GRAFICO DI UN AMPLIFICATORE AUDIO CURVE TRACER FOR ELECTRONIC TUBE AND GRAPHIC PROJECT OF AN AUDIO AMPLIFIER RELATORE CANDIDATO Chiarissimo Prof. Di Zitti Tesi di Laurea di Antonio Durighello UNIVERSITA DEGLI STUDI DI GENOVA FACOLTA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA TRIENNALE IN INGEGNERIA ELETTRONICA Anno Accademico 2009-2010 I
L'opera umana più bella è di essere utile al prossimo. Sofocle I
Ringraziamenti Desidero esprimere la mia gratitudine al professore Di Zitti per l'attenzione e la professionalità con cui ha seguito la stesura del progetto. Un grazie sincero va ai miei Genitori: devo a loro la tenacia che mi hanno trasmesso, necessaria per portarlo a compimento. Infine, un pensiero del tutto particolare va a mia moglie che mi ha accompagnato, supportato in ogni giorno di studio anche dopo l arrivo dei bimbi. II
Indice Introduzione pag. 4 1 FUNZIONAMENTO DELLO STRUMENTO. pag. 6 1.1 GENERATORE DI RAMPA NEGATIVA E SINCRONISMO. pag. 7 1.2 INTEGRATO55. pag. 9 1.3 OPERAZIONALE:AMPLIFICATORE INVERTENTE/ CONDIZIONAMENTO SEGNALE pag. 11 1.4 IL MICROPROCESSORE PIC16F877A... pag. 12 - Interattivita con l esterno - Collegamenti di base - Programmatori PIC - CPU e compilatori - IL Display LCD - Codice 1.5 ALIMENTATORE VARIABILE PER FILAMENTI VALVOLE pag. 21 1.6 ESEMPIO DI CURVE ANODICHE... pag. 23 1.7 TEST DELLE VALVOLE. pag. 24 - Dati caratteristici 1.8 DIMENSIONAMENTO AMPLIFICATORE DI TENSIONE. pag. 26 - Distorsione - Guadagno in tensione nei triodi e nei pentodi - Amplificatore di potenza - Calcolo della potenza di uscita e distorsione - Trasformatore d uscita 1.9 CLASSI DI FUNZIONAMENTO pag. 32 1.10 INTERCONNESSIONI E ZOCCOLATURE pag. 33 1.11 CONCLUSINI pag. 37 III
1.12 PROSPETTIVE DI EVOLUZIONI FUTURE pag. 38 1.13 RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI pag. 39 IV
INTRODUZIONE Il progetto consiste nel visualizzare su un oscilloscopio le curve caratteristiche di un tubo termoionico e con alcune varianti adattarlo ai semiconduttori. La problematica di sicurezza riguarda le alte tensioni in gioco e, per tale motivo si e optato per la misura con tensioni anodiche fino ad un massimo di 110Volt in corrente continua. Questo valore di tensione è indubbiamente, anch esso, pericoloso ma gestibile. Esso ci limita la misura solo ad un numero ridotto di valvole e di bassa potenza ma didatticamente risulterà ugualmente completo. Per la visualizzazione delle curve occorrerà un oscilloscopio a doppia traccia e, in opzione, un personal computer con presa seriale rs232. Occorre fare una breve premessa sul funzionamento delle valvole termoioniche. Innanzitutto il nome vero è valvole termoelettroniche in quanto il flusso di corrente è dovuto agli elettroni (non agli ioni). L effetto termoionico definisce il fenomeno fisico sulla quale si basa il principio di funzionamento della valvola per cui ogni metallo riscaldato emette elettroni. Prima dell avvento dei transistor era l unico componente attivo esistente nel campo dell elettronica ora è relegata ad un uso molto di nicchia e per applicazioni particolari. In pratica essa è molto simile ad un lampadina. Essa è costituita da un involucro di vetro in cui viene creato il vuoto; all interno della stessa viene posto un filamento metallico che viene, per effetto Joule, portato ad incandescenza (1000-3000 centigradi) grazie all applicazione di una differenza di potenziale e quindi una relativa corrente elettrica (W=R I^2). Tornando alla lampadina, la valvola differisce da essa per la presenza di due elettrodi metallici polarizzati inversamente tra loro e più precisamente il CATODO che emette elettroni (carica negativa), e l'anodo (collegato al polo positivo) che li "riceve". Si era così ottenuto il DIODO che permetteva il flusso di corrente solo in un senso. Inizialmente l'anodo era fisicamente rappresentato dal filamento stesso, ma l esigenza di dover far lavorare i catodi a tensioni diverse portò all aggiunta in un tubicino di NICHEL 1
rivestito di elementi che favoriscono lo scambio di elettroni quali ossidi di STRONZIO e BARIO ottenendo così un potenziale diverso rispetto al filamento. L esigenza di regolare il flusso di elettroni tra CATODO e ANODO diede vita al TRIODO (Fig. 1.1) che non era null altro che un diodo con una griglia di controllo tra CATODO e ANODO. (1.1) La regolazione che si ottiene permette di regolare il flusso di corrente da 0 al punto di saturazione; ciò porta ad ottenere, a fronte di una piccola variazione di tensione sulla griglia una grande escursione tra ANODO e CATODO ottenendo una amplificazione. Infatti se un segnale sinusoidale è sovrapposto sulla polarizzazione di CC della griglia, una versione amplificata del segnale compare nel circuito di placca. L evoluzione successiva è stato l avvento del TETRODO ottenuto aggiungendo una GRIGLIA DI SCHERMO tra l'anodo e la griglia di controllo, collegata ad una tensione derivata dall'anodo, e a massa con un condensatore di BYPASS. Esso è un TRIODO con una schermatura sul segnale principale che elimina le interferenze sulle alte frequenze dovuta alla capacità intereelettrodica.. L evoluzione ultima nelle valvole si ha col PENTODO, che altro non era che un TETRODO con l'aggiunta di un'ulteriore GRIGLIA DI SOPPRESSIONE che ha la funzione di ridurre l emissione secondaria e quindi la conseguente distorsione indotta. 2
Mentre il triodo, a parte qualche caso particolare, viene usato negli stadi di preamplificazione il pentodo avendo un'alta amplificazione, bassa distorsione, una ampia banda passante e una buona linearità viene usato come amplificatore di potenza e, in alcuni casi, negli impianti audio alta fedeltà (HI-FI). Per contro, essendo più rumorosa, solitamente non viene usata negli stadi di preamplificazione. 3
FUNZIONAMENTO DELLO STRUMENTO Questo è lo schema di principio su cui si basa il tracciacurve (Fig. 1.2). Per ogni tensione negativa di griglia -Vg applicata (gradini con 7 soglie di tensione) avremo una tensione anodica Va che da zero andra al valore massimo (vedere il dente di sega) ed una corrispondente tensione catodica il cui andamento verrà visualizzato sull oscilloscopio e rappresenteranno le 7 curve di corrente anodica a fronte di ogni singola Vg. La tensione catodica e la tensione anodica andranno, opportunamente ridotte, rispettivamente sull asse orizzontale (X) e sull asse verticale (Y). (1.2) La complessità di realizzazione di una rampa di alta tensione e la scarsa reperibilità di componenti adatti ha portato ad una semplificazione che non inficia il risultato finale se non per la diversa intensità di visualizzazione. 4
La semplificazione consiste nello sfruttare la tensione sinusoidale fornita dalla rete cittadina a 50Hz che, con un ponte diodi (di Greatz), verrà resa impulsiva a 100Hz come illustrato nella figura successiva (Fig. 1.3). (1.3) Nei capitoli successivi analizzeremo più nel dettaglio i circuiti che compongono lo strumento. 5
GENERATORE DI RAMPA NEGATIVA E RILEVATORE DI ZERO CROSSING La prima parte e composta da un semplice raddrizzatore a PONTE DI DIODI da cui preleveremo i 100Hz e tramite un trigger di Schmitt ricavato dall integrato tuttofare NE555 rileveremo il passaggio per lo zero delle semionde positive ed otterremmo cosi l impulso per la partenza della misura per le successive tensioni di griglia (Fig. 1.4). (1.4) Le tensioni ottenute saranno da 0V a 7,5V con passo di 0,5 V. La griglia di una valvola però necessita di essere polarizzata con tensione negativa, per cui si è reso necessario dotare l uscita del convertitore di uno stadio con operazionale in configurazione di amplificatore invertente (Fig. 1.5). 6
(1.5) Dimensionando il tutto opportunamente siamo riusciti ad ottenere una sequenza a gradini di tensioni negative come in figura. Come si può notare in (Fig. 1.6) lo zero crossing degli impulsi di anodica è perfettamente sincronizzato con i gradini di tensione negativa di griglia. 7
Immagine da oscilloscopio (1.6) La rampa negativa a gradini verrà applicata alla griglia della valvola e ad ogni gradino di tensione di griglia corrisponderà una corrente anodica che varierà da 0 alla tensione di picco per poi tornare a zero, nell immagine (Fig. 1.6) si possono vedere i segnali ottenuti. 8
NE555 integrato tuttofare (1.7) Analizzando lo schema a blocchi (Fig. 1.7) possiamo notare un partitore di tensione con tre resistenze di uguale valore 5k ( da cui la sigla 555 ). Esso fornisce le tensioni di riferimento a due operazionali collegati come comparatori, il primo di soglia non invertente ( Vr = 2/3 Vcc ) ed il secondo di trigger invertente ( V r = 1/3 Vcc ). Le uscite agiscono in modo asincrono su un flip-flop RS. L uscita Q negata controlla il circuito di potenza esterno ed anche la base de transistor Td di scarica. Esiste inoltre un ingresso di reset prioritario per il flip-flop. Il 555 lavora in funzione delle tensioni in uscita dei due comparatori: 9
- se la tensione di trigger Vt scende al disotto del valore Vr=1/3Vcc l uscita del comparatore diventa alta e di conseguenza bassa quella Q negata del flip-flop che così interdice il transistor Td di scarica e porta a livello alto l uscita di potenza col buffer. - se la tensione di threshold Vth supera il valore Vr=2/3Vcc, l uscita del comparatore di soglia diventa alta e così anche quella Q negata del flip-flop, che pertanto porta in conduzione il transistor Td di scarica ed a livello basso l uscita bufferizzata di potenza. L ingresso Vc del control Voltage può essere utilizzato per variare il livello della tensione di riferimento dei comparatori, ponendo una resistenza in parallelo a quelle interne oppure applicandovi direttamente una tensione; se questo ingresso non viene utilizzato è buona norma collegarlo a massa tramite un condensatore per evitare la possibilità di oscillazioni come da schema trigger di Schmitt (vedere condensatore da 10KpF). Qui di seguito è rappresentata la piedinatura tratta dal datasheet (Fig. 1.8). (1.8) Nella nostra applicazione il 555 è collegato a trigger di Schmitt (al pin 2) e non fa altro che generare un impulso ad ogni passaggio per lo zero della tensione pulsante a 100Hz ottenuta da un secondario di un trasformatore e da un raddrizzatore ad onda intera con ponte di Graetz passando poi attraverso un partitore composto dalle resistenze R1, R3, R4. L impulso di sincronismo così ottenuto uscirà dal 555 perfettamente squadrato a 100Hz e piloterà un contatore binario CD4029. Il contatore, con una rete di resistenze da R5 a R11, genererà una rampa positiva di tensione; i diodi da D1 a D3 daranno il reset dopo i 7 gradini di tensione. 10
Per ottenere la rampa di tensione negativa si invia il segnale al primo stadio di un amplificatore operazionale LM324 collegato come amplificatore invertente con guadagno 1. Av= - R3/R1 = -1 Per ottenere delle tensioni più negative occorrerà aggiungere uno stadio di amplificazione con operazionale e BJT PNP ma sarà una evoluzione futura. 11
OPERAZIONALE COME INSEGUITORE E CONDIZIONAMENTO SEGNALI L operazionale che è stato scelto è un LM324 che ha al suo interno 4 moduli operazionali. Il primo modulo,come già accennato, è sfruttato come amplificatore invertente per le tensioni di griglia. Il secondo modulo per la tensione di filamentoche sarà al massimo 30V. Il partitore dovrà ridurre di 6 volte per portare a 5V necessari al microprocessore. L operazionale verrà usato in configurazione ad inseguitore di tensione (Fig. 1.9) per accoppiare il carico a valle e sarà preceduto da un partitore di tensione. (1.9) 12
IL MICROPROCESSORE PIC16F877A (1.10) Il PIC (Peripheral Interface Controller) (Fig. 1.10) è un microcontrollore programmabile. La versatilita, il basso costo, la facilita di programmazione, anche con circuiti fai da te, sono fattori che hanno contribuito alla loro larga diffusione di questi componenti. Il loro arrivo ha contribuito all avvicinamento all'elettronica digitale da parte di coloro che, per la complessita delle logiche custom, avevano rinunciato a questo hobby. Il PIC è costituito da cinque parti fondamentali: CPU (Central Process Unit) PROM (Programable Read Only Memory) EEPROM (Electrical Erasable Programable Read Only Memory) RAM (Random Access Memory) PORTE (d ingresso e uscita) La CPU permette di eseguire le istruzioni programmate. La PROM ha il compito di contenere il programma che noi abbiamo preparato. La EEPROM contiene i dati anche se l alimentazione viene interrotta. La RAM contiene dati di transito. Le PORTE permettono il colloquio del processore con l esterno. 13
Veramente utile e la possibilita di programmare questi chip in-circuit (ICSP) con soli 3 collegamenti piu la massa : MCLR (piedino di master/clear) per la programmazione RB6 usata come linea di clock RB7 bidirezionale usata come linea data Interattivita con l esterno Le porte disponibili possono essere diverse a seconda del chip scelto (www.microchip.com). Nel nostro caso scegliamo un 40 pin a 8 bit in configurazione DIL (Dual InLine). Le porte di I/O in questo caso sono 5: PORTA, B, C, D, E e forniscono 25 ma in sink 20 ma in source (RA4 solo sink). Quasi tutti i pin di ciascuna porta hanno piu funzionalita ad esempio: A/D converter a 10 bit di risoluzione USART, SPI, CAN, I2C (protocolli di comunicazione ) CCP (Capture, Compare, Pwm) Collegamenti di base Ci sono solo 5 pin che sono necessari al funzionamento del micro e sono: l alimentazione (+5V) al pin 14 con un condensatore da 100nF verso massa (pin 5), tra pin 13 e 14 il quarzo (in alternativa risuonatori ceramici o stadio RC) con 2 condensatori verso massa (per il cui dimensionamento occorre guardare nel datasheet ) ed infine il pin MCLR da collegare al +5V a mezzo resistenza da 4,7 Kohm (anche da usare con tasto di reset). 14
Programmatori Per caricare le routines in linguaggio macchina nel pic, occorre un programmatore HW ed uno SW. Del primo ce ne sono moltissimi che colloquiano col PC con la seriale, la parallela ed ultimamente in USB. Attenzione che lavorino secondo le specifiche del costruttore: infatti certi programmatori funzionano per puro caso dovuto alle tolleranze dei componenti. Segnalo quello della casa (non costoso), il Pickit2, di cui allego immagine (Fig. 1.11). con adattatore zoccolature, che sto usando con soddisfazione ma ce ne sono tanti altri validi. Sono preferibili quelli con un'alimentazione esterna e non prelevata dalla porta del PC in quanto quest ultima a volte non ha tensione e corrente sufficiente alla programmazione di taluni pic (il 16f84 e molto piu flessibile nelle tensioni di programmazione in quanto aveva un bug di progettazione). Tra i SW di programmazione piu diffusi ma non necessariamente i migliori (e free) ci sono i vari ICPROG, EPICWIN ecc (1.11) 15
CPU e compilatori Le istruzioni native dei pic in assembler sono 35 a 14 bit (istruzioni ridotte secondo la tecnología RISC) e quindi la programmazione e abbastanza semplificata. Il bus dati e a 8 bit ed il clock arriva fino a 20MHz (nella famiglia PIC16XXX). C e l ottimo assemblatore free Mpasmwin contenuto nel pacchetto MPLAB di Microchip che ha anche funzionalita macro. Per coloro che non hanno dimestichezza con l assembler sono disponibili compilatori con linguaggi evoluti tipo c, pascal, basic a prezzi abbordabili, ed in ogni caso ce ne sono diversi disponibili in versioni demo che hanno qualche limitazione ma che per un uso prettamente hobbistico vanno piu che bene. Io uso il compilatore c di Picclite in versione demo e riesco gia a fare parecchie cose. Uso anche Mikrobasic sempre in versione demo. Il vantaggio di quest ultimo compilatore, oltre all evidente semplicita di linguaggio, e anche la presenza di numerose librerie per la gestione delle periferiche e protocolli di uso comune (tastiere, display, usb, can, seriale, ecc ) IL Display LCD: Esso e un diffuso LCD a 16 caratteri e 4 righe (Fig. 1.12) basato sul Chip Hitachi HD44780. (1.12) 16
Esso e gestito col protocollo I2C. Nel compilatore che ho usato in questo progetto sono presenti piu librerie per gestirli in modalita 8 e 4 bit e con la possibilita di personalizzare i pin di collegamento alla CPU a seconda delle proprie esigenze. 17
CODICE preliminare per futura implementazione (abilitata solo lettura filamento) '************************************************************************ ****** ' microcontroller P16F877A ' ' Project: adconlcd_tesi ' This project is designed to work with PIC 16F877A ' with minor adjustments, it should work with any other PIC MCU ' that has ADC module. ' LCD on PortD ' This code demonstrates how to use library function ADC_read, and library ' procedures and functions for LCD display (4 bit interface) ' It sends the ADC conversion through USART. ' The Texts are from my own application ' Some variables are declared but not used (I use them in another project) ' procedure interrupt RB0 0-->1 front rise '************************************************************************ ****** program rs232adclcd_tesi dim ch,x,cont as byte t,re,re1,re2 as word Text as char[16] tlong as longint sub procedure interrupt if testbit(intcon,1) then 'testa l'avvenuto evento su portb.0 (interrupt) zero crossing 'Quindi avvio Procedura ADC con 2 serie di 28 campioni for x = 1 to 28 sec1 sec2 next x avv_lett cont=cont+1 'incremento contatore gradini Vg clearbit(intcon,1) end if end sub 'ripristina il flag di controllo interrupt su rb0 sub procedure setup Text = "Inizializzazione " lcd_out(1,1,text) lcd_chr(2,9,"i") 18
lcd_chr(2,10,"n") lcd_out(2,11,"i ") Usart_Write("I") Usart_Write("N") Usart_Write("I") delay_ms(2000) end sub sub procedure sec1 'lettura tensione ai capi di Rk su RA0 t = ADC_read(0) tlong = t*5000 Text = "VK=catodica" lcd_out(1,1,text) lcd_chr(2,15,"o") lcd_chr(2,16,"v") t = longint(tlong >> 10) ch = t div 1000 Usart_Write(ch) lcd_chr(2,9,48+ch) lcd_chr(2,11,".") ch = integer(t div 100) mod 10 Usart_Write(ch) lcd_chr(2,10,48+ch) ch = integer(t div 10) mod 10 Usart_Write(ch) lcd_chr(2,12,48+ch) ch = t mod 10 end sub lcd_chr(2,13,48+ch) 'delay_ms(3000) sub procedure sec2 t = ADC_read(2) tlong = t*5000 'lettura tensione anodica su RA2 19
Text = "Va=anodica" lcd_out(1,1,text) lcd_chr(2,15,"o") lcd_chr(2,16,"c") t = longint(tlong >> 10) ch = t div 1000 Usart_Write(ch) lcd_chr(2,9,48+ch) lcd_chr(2,11,".") ch = integer(t div 100) mod 10 Usart_Write(ch) lcd_chr(2,10,48+ch) ch = integer(t div 10) mod 10 Usart_Write(ch) ch = t mod 10 end sub lcd_chr(2,12,48+ch) lcd_chr(2,13,48+ch) 'delay_ms(3000) sub procedure Avv_lett 'avvertimento lettura avvenuta lcd_cmd(lcd_clear) Text ="Lettura avvenuta" lcd_out(1,1, Text) end sub sub procedure sec3 'lettura tensione filamento t = ADC_read(3) tlong = t*5000 Text = "Vf=filamento" lcd_out(1,1,text) lcd_chr(2,15,"o") 20
t = longint(tlong >> 10) ch = t div 1000 'Usart_Write(ch) lcd_chr(2,16,"v") lcd_chr(2,9,48+ch) lcd_chr(2,11,".") ch = integer(t div 100) mod 10 'Usart_Write(ch) lcd_chr(2,10,48+ch) ch = integer(t div 10) mod 10 'Usart_Write(ch) lcd_chr(2,12,48+ch) ch = t mod 10 end sub lcd_chr(2,13,48+ch) 'delay_ms(3000) main: Usart_Init(9600) 'inizializzazione seriale TRISB =%00000001 'RB0 come input x interrupt su RB0 PORTB =0x00 'resetta TRISD =0x00 'porta D come uscita per LCD TRISC =0x00 'porta C come uscita per LCD 'intcon =$48 'modificato 1001.0000 abilita GIE e INTE o meglio... setbit(intcon,4) 'abilita INTE evento su RB0 setbit(intcon,7) 'abilita GIE rilev. gen. su interrupt Lcd_init(PORTD) lcd_cmd(lcd_cursor_off) lcd_cmd(lcd_clear) Text ="inizializzazione" lcd_out(1,1, Text) Text ="Tube tracer" lcd_out(2,1, Text) pull-up 'OPTION_REG = $80 'da modificare 1000.0000 disabilita resist. di 21
'OPTION_REG = $20 'pone INTEDG a 1 fronte salita alto 0--->1 logico o meglio setbit(option_reg,6) 'pone INTEDG a 1 ADCON1 = $82 ' 1000.0010 tutti analogici e vref = Vdd TRISA = $FF 'porta A come ingresso x ADC sec3 'lettura tensione filamento Delay_ms(5000) ' cont =0 'contatore primo gradino Vg setup lcd_cmd(lcd_clear) Text = "Pronto per Lettura:" lcd_out(2,1,text) if cont=7 then end 'fine serie letture per 7 gradini Vg end. 22
ALIMENTATORE VARIABILE PER FILAMENTI VALVOLE L'esigenza è quella di fornire la tensione continua ai filamenti che, a volte può essere particolarmente critica impegnativa e molto differenti da valvola a valvola. Vediamo, ad esempio il caso limite del triodo 2A3, molto conoscito agli audiofili, che necessita di 2,5V e 2,5A. Se l'alimentatore fosse tradizionale occorrerebbe dimensionare il trasformatore per la piena potenza e costruire un alimentatore con un regolatore integrato e diversi transistor di potenza per arrivare alla corrente massima richesta. Al fine di ridurre al minimo l'ingombro dello strumento si è optato per la costruzione di un alimentatore switching. Esso è costruito intorno all'integrato regolatore switching LM2570T il quale collegato come da schema (Fig. 1.13) permette, per mezzo di un potenziometro, di avere un grande margine di regolazione. Poiche' il regolatore accetta tensioni abbastanza alte in ingresso si è pensato di fornirgliele con un trasformatore con due prese secondarie e scegliere di volta in volta il range di tensione in funzione della valvola sotto test. (1.13) Lo stadio è stato preceduto da un trasformatore con 20/40 Volt di secondario e ponte diodi per il raddrizzamento della tensione alternata. Un deviatore permette di scegliere tra 2 range di tensione per ottenere una migliore regolazione della tensione di filamento (nel prototipo non è ancora inserito). Per sicurezza lavora a circa 110V. 23
(1.14) Dal data sheet del componente possiamo vedere che la corrente massima raggiungibile è di 3A e possiamo così alimentare il filamento di una valvola impegnativa come la 2A3 che necessita di 2,5V 2,5A. Alleghiamo, come esempio, il data-sheet della valvola in oggetto (Fig. 1.15). 24
ESEMPIO DATA SHEET VALVOLA (1.15) 25
ESEMPIO DI CURVE ANODICHE (Fig 1.16) (1.16) Come possiamo vedere nel grafico in ascissa poniamo le tensioni anodiche ed in ordinata la corrente anodica in funzione di una diversa tensione di griglia. 26
TEST DELLE VALVOLE Come prima cosa occorre individuare, con eventuali cataloghi o documentazione, la piedinatura ed i valori massimi di Ia, Va, Wa di dissipazione. Una volta scelta la tensione anodica (Va) sottesa ad un interruttore occorre porre in serie una resistenza di valore e potenza opportuna (Ra) ad esempio 2,7Kohm 7W, collegare i filamenti con la giusta tensione e collegare i 3 terminali Anodo (A), catodo (K), griglia (G). A questi punti occorre predisporre l'oscilloscopio sulla posizione X-Y, collegare le 2 sonde e chiudere l'interruttore di anodica. Si dovranno visualizzare sull oscilloscopio a doppia traccia le curve anodiche. DATI CARATTERISTICI Una volta ottenute le curve e possibile ricavare i dati caratteristici della valvola sotto esame: - Guadagno di tensione ( ) - Trasconduttanza (S) - Resistenza interna (Ri) Guadagno di tensione Esso rappresenta il rapporto dimensionale tra la tensione anodica e quella di griglia e si può ottenere graficamente misurando di quanto la tensione anodica varia con una variazione di griglia di 1V. Esso approssima meglio un generatore in tensione controllato in tensione, specialmente nei triodi che hanno bassa resistenza interna,. 27
Trasconduttanza Esso rappresenta il rapporto tra corrente anodica e la tensione di griglia. Essa si misura in ma/v e si può ottenere graficamente misurando di quanto la corrente anodica varia a fronte di una variazione di tensione di griglia di 1V. Esso approssima al meglio un generatore in corrente controllato in tensione nel caso dei pentodi che hanno alta resistenza interna. Resistenza interna Essa e anche detta resistenza di placca e rappresenta il rapporto tra la variazione della tensione anodica e la variazione della corrente e si esprime in Kohm (V/mA). Si può ottenere graficamente misurando di quanto la tensione anodica varia a fronte di una variazione di corrente di 1mA. Chiaramente tutti questi parametri sono correlati infatti: =S*Ri ma, come si può immaginare, essi variano a seconda della scelta del punto di lavoro statico. Le valvole non sono dei componenti che seguono in modo lineare la legge di ohm per cui quando si dimensiona un amplificatore occorre tenere conto del fatto che è un sistema dinamico con parecchi parametri interconnessi ed occorre determinare graficamente dalle curve ed ogni valvola ha la sua anche se dovrebbe, in linea di massima, rispettare le curve a manuale. Purtroppo valvole con la stessa sigla ma di marca diversa a volte hanno degli scostamenti notevoli delle loro caratteristiche. Questo è un motivo di più per la necessità della misura delle curve sulla singola valvola ed entra in gioco lo strumento. 28
ESEMPIO DI DIMENSIONAMENTO AMPLIFICATORE DI TENSIONE Nella prima parte si analizzerà il dimensionamento di un classico stadio preamplificatore, nella seconda parte uno stadio single-ended di potenza. Cominciamo con l analisi della retta di carico che, come per i BJT, è la semiretta che parte dalla tensione di alimentazione U posizionata nell ascissa a completa interdizione cioè a corrente nulla e che passa per il punto di lavoro che abbiamo scelto (Fig. 1.17). Solitamente il punto di lavoro è posizionato nella parte centrale delle curve e nella parte dove le curve hanno andamento più lineare. (1.17) A questi punti è definita la Va, la Ia e possiamo calcolare la resistenza anodica Ra: Ra=(U-Va)/Ia con la sua potenza W=(U-Va)*Ia. 29
mentre dalla Vg e dalla Ia calcoleremo la resistenza catodica Rk: Rk=Vg/Ia con la sua potenza W=Vg*Ia. Per quello che riguarda il calcolo della potenza è preferibile arrotondare, abbondantemente, per eccesso. Stiamo considerando la soluzione con la polarizzazione automatica di griglia dove la griglia si trova a potenziale zero a mezzo di una resistenza verso massa, solitamente, di valore tra 100 e 220Kohm. Il catodo invece è mantenuto a tensione positiva dalla resistenza Rk cosichè la griglia si trova a potenziale negativo rispetto al catodo. La polarizzazione automatica si ottiene in quanto all aumentare della corrente anodica Ia la caduta di potenziale ai capi di Rk aumenta e quindi la griglia diventa più negativa costringendo in qualche modo la Ia a tornare al valore iniziale. Al fine di evitare la controreazione locale si pone in parallelo alla Rk un condensatore di valore opportuno tale da smorzare le oscillazioni del segnale. DISTORSIONE Possiamo fare una sommaria analisi visiva della distorsione analizzando la risposta simmetria delle tensioni anodiche (uscita) ad una variazione simmetrica di un segnale di griglia (ingresso) e più precisamente avremo, come dall esempio, che se ci manteniamo sul punto di lavoro prescelto e variamo la tensione di griglia Vg di ±1V avremo simmetricamente ±25V di tensione anodica Va; cosa che che non succede più se spostiamo il punto di lavoro o se aumentiamo il valore di picco della tensione di ingresso. Possiamo quindi concludere che se ci manteniamo su ±1Vpp la distorsione sarà praticamente nulla. 30
GUADAGNO IN TENSIONE NEI TRIODI E NEI PENTODI Precedentemente abbiamo potuto conoscere il parametro che è il massimo guadagno teorico che possiamo ottenere ma non è mai possibile raggiungerlo in quanto, in pratica, esso dipende nei triodi da Ra ed Ri secondo questa relazione: Gm= *Ra/(Ra+Ri). Come possiamo notare se manteniamo un valore di Ra decisamente maggiore rispetto ad Ri ci avviciniamo sempre più al teorico. Chiaramente il limite sarà l impedenza che vedrà lo stadio successivo che non è sempre ad alta impedenza per cui bisogna raggiungere un compromesso. Per ciò che riguarda i pentodi per il calcolo del guadagno entra in gioco la trasconduttanza S e teoricamente avremo che Gm=S*Ra ma nella realtà dovremo considerare nei calcoli l impedenza d ingresso dello stadio successivo per cui dovremo farne il parallelo e la nuova impedenza si chiamerà resistenza dinamica Rd e quindi il Gm=S*Rd. Come nel caso dei triodi anche qui dovremo raggiungere un compromesso nella scelta di Ra. AMPLIFICATORE DI POTENZA A differenza dell amplificatore di tensione anziché avere come carico anodico una resistenza il triodo di potenza avrà un trasformatore e più precisamente il primario del trasformatore di uscita che sarà una impedenza ohmico-induttiva Z. Nel caso di un amplificatore audio avremo la necessità di avere una impedenza di uscita bassa per pilotare degli altoparlanti che solitamente hanno una impedenza nominale dai 4 agli 8 ohm. Le valvole, a differenza dello stato solido (BJT), hanno una alta impedenza di uscita per cui è necessario un trasformatore adattatore di impedenza TU ed in grado di permettere un ottimale trasferimento di potenza sul secondario. Come negli amplificatori di tensione, anche qui si procede col tracciare la retta di carico dal punto in ascissa con la tensione anodica di alimentazione U addizionata della tensione che il trasformatore di uscita è in grado di erogare in condizioni dinamiche che sarà Z*Ia quindi la retta intersecherà l ascissa nel valore U+Z*Ia. 31
Quando utilizziamo la polarizzazione automatica la caduta di tensione sulla resistenza catodica Rk non è trascurabile e nei conteggi bisogna ricordarsi di sottrarla dalla tensione di alimentazione; infatti serve la tensione tra anodo e catodo. A questi punti avendo la U, la resistenza primaria del TU e la dissipazione anodica (W=V x I) occorre fare la scelta del punto di lavoro. CALCOLO DELLA POTENZA DI USCITA E DISTORSIONE La potenza si otterrà dalla variazione della tensione moltiplicata per la variazione di corrente rispetto al punto di lavoro statico. Queste variazioni non saranno perfettamente simmetriche e lo scostamento medio rappresenta la distorsione sul primario del trasformatore. Alla distorsione contribuisce anche il TU durante il trasferimento di potenza sul secondario dello stesso ma a volte può, se di buona qualità, migliorare la distorsione. 32
TRASFORMATORE D USCITA Occorre fare qualche considerazione sul trasformatore d uscita la cui scelta è una delle cose più delicate durante la fase di progettazione di un amplificatore. Il rapporto di trasformazione Ktr, ovvero il rapporto che ci indicherà la relazione esistente tra le spire dell'avvolgimento primario e quelle del secondario, come pure quello delle tensioni tra di essi rilevate è uno dei dati principali del trasformatore. Pertanto si ha: Fondamentale è la scelta dell'impedenza di carico anodico della valvola; essa dipende sia dal modello di valvola impiegata che dalle condizioni di lavoro scelte in fase di progettazione ( polarizzazioni) e solitamente è compresa da 1,5 a 20Kohm. Il limite delle dimensioni costruttive della bobina mobile di un altoparlante che implicava poche spire ha limitato a pochi ohm l impedenza dell altoparlante per cui non si è potuto pilotare l altoparlante direttamente dalle placche della valvola. 33
Tornando al TU esso è attraversato, nell'avvolgimento primario, sia dalla corrente continua di polarizzazione (di placca) Ia che dalla componente alternata (di frequenza ed intensità variabile nel tempo) ia la cui ultima è legata alle frequenze sonore che l altoparlante riprodurrà. La Ia genererà un induzione magnetica Bo costante in quanto è corrente continua, mentre la ia genererà una ulteriore componente d induzione B variabile nel tempo. Si è potuto ricavare una formula che mette in correlazione la sezione del nucleo S dell'avvolgimento con la potenza P da trasferire e la frequenza fmin da riprodurre. : Perché tale relazione si possa mantenere valida occorre che l'induzione non superi 0.5 T. Fondamentale è anche la relazione che lega l'induttanza del primario e la frequenza minima fmin da riprodurre: 34
Ora siamo in grado di poter calcolare il numero di spire dell avvolgimento primario: Occorre inoltre essere molto attenti nella scelta dei nuclei e l interposizione di un tra ferro, specialmente nei trasformatori asimmetrici, in quanto le 2 correnti Ia e ia concorrono, scorrendo nello stesso verso, a produrre un eccessiva magnetizzazione del nucleo e quindi indurre una perdita nel trasferimento di potenza. 35
CLASSI DI FUNZIONAMENTO Le classi di funzionamento di un amplificatore sono diverse e, riferendoci alla sinusoide come segnale d ingresso, possiamo dire quanto segue: - Classe A in cui la sinusoide viene completamente amplificata (come nei singleended) ed è la replica perfetta del segnale in ingresso; sia bjt che valvole conducono sempre anche in assenza di segnale in ingresso quindi un basso rendimento teorico intorno al 20/25% che scende ancor di più nel caso reale a causa delle tolleranze (15-20%). Se ne deduce che sia, energeticamente, molto antieconomico. Dalla sua ha la sua estrema semplicità. Ne consegue che negli stadi di potenza viene scelta per basse potenze mentre ne caso degli stadi preamplificatori la configurazione è quasi sempre classe A viste le basse potenze in gioco. - Classe B (tratta dagli schemi Williamson) che è nata per evitare i problemi della classe A è composta da 2 amplificatori che amplificano rispettivamente la semionda positiva e la semionda negativa della sinusoide (come nei push-pull). Essa ha un rendimento molto elevato intorno al 75/80% però ha un difetto che sorge nel caso in cui le correnti di polarizzazioni delle finali subiscano delle variazioni e ciò produce l effetto indesiderato della distorsione di crossover (fig1.18) con la conseguente creazione di fastidiose armoniche dispari. Tecnicamente succede che in un determinato momento nessuna delle due valvole finali è in conduzione e quindi la forma d onda in uscita risulta spezzata. Chiaramente queste cose non succedono se lo stadio d uscita viene progettato a regola d arte. (1.18) 36
- Classe AB è una configurazione che prende i vantaggi delle due classi precedentemente descritte: nel primo caso fedeltà di riproduzione e nel secondo caso il rendimento. Ciò viene ottenuto facendo prolungare il periodo in cui ognuna delle valvole finali conduce e ciò permette di risolvere definitivamente il problema della distorsione di crossover. Ci sono poi diverse altre classi di funzionamento AB1, AB2 che differiscono di poco dalla AB e più precisamente attuano dei differenti modi di polarizzare le valvole finali. - Classe C non è lineare e, di conseguenza, ha una distorsione elevata quindi non utilizzabile nel campo audio; questa configurazione ha un rendimento molto elevato e raggiunge il 90%, essa viene utilizzata prevalentemente nell amplificazione delle frequenze alte (frequenze radio). - Per completare i casi delle classi di funzionamento posso fare un escursus sulle due classi D(o S) e T non applicabili alle valvole in quanto digitali: la prima lavora come un alimentatore modulato dal segnale d ingresso con la tecnica PWM (variazione della larghezza d impulso) seguito da un filtro passa basso di ricostruzione; la seconda (più performante) lavora con la variazione della frequenza dell onda quadra in funzione della potenza richiesta in uscita. 37
INTERCONNESSIONI E ZOCCOLATURE Il problema delle interconnessioni delle valvole non è trascurabile in quanto, fino agli anni 60, sono state create un enormità di tipi di valvole con diverse zoccolature e piedinature. Nei vecchi provavalvole (fig1.19) la parte più noiosa era proprio questa infatti la logica di connessione era stata risolta con l ausilio di una serie di commutatori. Gli zoccoli, essendo veramente numerosi, spesso si differenziavano tra quelle europee e quelle di oltre oceano ed i provavalvole, di conseguenza, necessitavano di cassetti aggiuntivi di espansione. Nel caso del tracciacurve non ho affrontato questo problema cercando di affrontare i problemi legati principalmente alla misura. Questo aspetto potrà essere affrontato successivamente. Nel prototipo ho gestito le connessioni con dei semplici spinotti. 38
PROVAVALVOLE Hickok I177 e la sua cassettina d espansione MX949. (1.19) 39
TRACCIACURVE TEKTRONIKS MOD. 570 (1.20) 40
CONCLUSIONI Questa è l immagine del prototipo funzionante (fig1.21) con il collegamento agli assi X Y, con cavi schermati, con BNC dell oscilloscopio configurato per la misura XY. (1.21) Si possono vedere, di seguito, i grafici ottenuti con le misure manuali e con le misure automatiche col nostro strumento. Le correnti anodiche riscontrate si discostano di ± 0,5 % dalle misure effettuate punto a punto con un variac (per la tensione anodica), un alimentatore con tensioni continue negative regolabili (per le tensioni di griglia), un alimentatore per i filamenti e 4 multimetri digitali (ripettivamente il primo per la corrente anodica, il secondo per la tensione anodica, il terzo per la tensione di griglia ed il quarto per i filamenti). 41
Curve ottenute dal tracciacurve (fig1.22) (1.22) PROSPETTIVE DI EVOLUZIONI FUTURE Per ottenere uno strumento più flessibile si potranno sfruttare le enormi possibilità del microprocessore PIC per la logica delle commutazioni tra gli zoccoli delle diverse valvole ed eventualmente associare una memoria aggiuntiva o una scheda SD per memorizzare i dati delle curve standard delle valvole di uso più comune e potere quindi apprezzare lo scostamento percentuale delle curve ottenute. Chiaramente per ottenere quanto detto sopra occorrerà utilizzare i convertitori analogico/digitali presenti all interno del PIC e visualizzare sul display LCD la bontà della valvola e lo scostamento percentuale dalla curva standard. Se il lavoro di calcolo per il PIC diventasse troppo oneroso si potrebbe optare di interfacciarlo al PC via seriale o ancor meglio in USB e visualizzare quindi le curve sul PC evitando l oscilloscopio. Altra opzione, vista l evoluzione ed i costi sempre più ridotti dei display grafici e touch screen, potrebbe essere quella di rendere lo strumento autonomo visualizzando direttamente nei display grafici le varie curve caratteristiche delle valvole sotto esame. 42
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI: - Libro: I tubi elettronici di Austin V.s Eastman ed. scientifiche Einaudi 1957 - rivista: Costruire HiFi Nuova elettronica - Data sheet: National LM2576T Microchip PIC16F877A SOFTWARE UTILIZZATI: - Sw free per creazione circuiti stampati: Fidocad - Compilatore basic per pic: Mikrobasic 43