Le valvole termoioniche sono dispositivi elettronici usati con gli stessi scopi dei transistor o degli amplificatori operazionali. Essendo componenti utilizzati all'inizio dell'era elettronica, ma ancora molto in voga, essi suscitano un po' di timore e di mistero, specialmente nelle nuove generazioni. L'articolo ha l'obiettivo di far rompere il ghiaccio ai nuovi sperimentatori e a realizzare un semplice amplificatore senza distorsione.
La valvola
E' un componente elettronico attivo che controlla il passaggio di corrente. Il suo funzionamento è paragonabile a quello del transistor, specialmente a FET. La figura 1 mostra il modello ECC82, che utilizzeremo nelle prove. Esso risulta identico al modello 12AU7, che adotteremo nelle simulazioni Spice. L'ECC82 (sigla europea) e il 12AU7 (sigla americana) sono valvole molto usate nel campo audio, specialmente per la costruzione di amplificatori per chitarra. Altri equivalenti sono: B329, 95-126-01, CC82E e 13D8. Tecnicamente si tratta di un doppio triodo in miniatura a 9 pin con lo zoccolo di tipo Noval B9A. In commercio si trovano molto facilmente sia la valvola che il relativo alloggiamento.
Figura 1: le valvole ECC82, 12AU7, lo zoccolo noval B9A e il pinout
Leggendo il datasheet ufficiale della valvola (che consigliamo sempre di consultare) si possono trovare queste caratteristiche generali:
- Anode current Ia=10,5mA;
- Transcoductance S=2,2mA/V;
- Amplification μ=17.
Sono dati essenziali che dettano i valori di polarizzazione con le opportune resistenze calcolate, come si vedrà tra poco. Riscontriamo, anche, l'utile tabella 1.
| Anode voltage | Va | 100 | 250 | (V) |
| Grid voltage | Vg | 0 | -8.5 | (V) |
| Anode current | Ia | 11.8 | 10.5 | (mA) |
| Transconductance | S | 3.1 | 2.2 | (mA/V) |
| Amplification | µ | 19.5 | 17 | |
| Internal resistance | Ri | 6.25 | 7.7 | (kΩ) |
Tabella 1: tipiche caratteristiche e condizioni operative della valvola
La tabella 2 mostra, invece, i valori massimi sopportati dal componente (Absolute Maximum Ratings).
| Absolute Maximum Ratings | |||
| Anode voltage | Va | 300 | V |
| Anode dissipation | Wa | 2.75 | W |
| Cathode current | Ik | 20 | mA |
| Grid voltage | Vg | -100 | V |
| Grid voltage, peak | Vgp | -250 | V |
| Grid resistor | Rg | 1 | MΩ |
Tabella 2: valori massimi della Valvola
Il simbolo elettrico di un triodo
Se un principiante iniziasse subito a guardare il simbolo elettrico della valvola ECC82, egli sarebbe colto sicuramente da una grande confusione. Iniziamo, invece, a esaminarne il simbolo generico, con funzione di triodo. Si chiama triodo perché è caratterizzato dalla presenza di tre terminali: il catodo, l'anodo e la griglia. Esso è costituito, come mostrato in figura 2, da un tubo di vetro in cui c'è un vuoto spinto, contenente tre elettrodi collegati all'esterno. Uno degli elettrodi è il catodo ed è collegato a un filamento portato a temperatura elevata, così da emettere elettroni. L'altro elettrodo è l'anodo che riceve gli elettroni emessi dal catodo. Il terzo elettrodo si trova tra gli altri due ed è detto griglia. Ha la funzione di regolare la corrente e polarizzata opportunamente può controllare il flusso di elettroni permettendo, di fatto, l'amplificazione del segnale.
Figura 2: i terminali di un Triodo
Polarizzazione di un triodo
Il segnale d'ingresso va applicato tra la griglia e il catodo. Ciò provoca un proporzionale cambiamento di tensione all'uscita, tra la placca e il catodo. Dal momento che la tensione di alimentazione della valvola è molto alta, praticamente non esistono distorsioni di sorta. La figura 3 mostra lo schema di principio di un amplificatore in classe A. Il filamento deve essere alimentato da una tensione idonea a portarlo in incandescenza, per l'attivazione dell'effetto termoionico. Solitamente tale tensione è di circa 6.3V. Per la scelta del valore della resistenza R è sufficiente dare un'occhiata al datasheet e leggere quello relativo alla corrente anodica in regime statico. L'anodo deve essere posizionato alla tensione di VCC/2 in modo che esso possa oscillare liberamente tra 0V e VCC. Proprio per il fatto che la tensione di alimentazione è molto alta, l'oscillazione, e quindi l'amplificazione, può avvenire senza distorsione, in un grande spazio numerico.
Per l'esempio proposto si scelga una tensione continua di alimentazione pari a 200V. Occorre, pertanto avere a disposizione un adeguato trasformatore. Il datasheet della ECC82 consiglia una corrente anodica pari a 10.5mA. Con la legge di Ohm ricaviamo, dunque, il valore del resistore R:
R=V/I
R=(200-100)/(10.5/1000)
R=9524 ohm
che possiamo tranquillamente arrotondare a 10kΩ. Dal momento che si sta lavorando con alte tensioni, anche l'incolumità dei componenti elettronici (oltre che la nostra) è un punto estremamente importante. Occorre, infatti, calcolare anche la dissipazione massima del componente, sempre con la legge di Ohm:
W=V*I
W=100*(10.5/1000)
W=1.05A
In questi casi è meglio abbondare un po', pertanto si può scegliere una resistenza da 10kΩ e 5W. Con tali caratteristiche il punto di lavoro dell'amplificatore, a riposo, sarà collocato esattamente a VCC/2.
Figura 3: lo schema di principio di un semplice amplificatore
Realizziamo l'amplificatore
La valvola ECC82 (o la 12AU7) ha, al suo interno, due triodi. Questa "integrazione" permette di realizzare un semplice cablaggio per chi costruisce un doppio amplificatore in cascata. Per il nostro scopo usiamo solo metà del tubo, ossia un singolo triodo. La figura 4 mostra lo schema elettrico. Il segnale d'ingresso è applicato alla griglia attraverso un condensatore di disaccoppiamento. Per un migliore funzionamento si consiglia d'inserire una resistenza di 220 ohm tra il catodo e la massa. La resistenza R3 polarizza la griglia e fissa, nel contempo, il valore dell'impedenza d'ingresso. La resistenza R1 polarizza correttamente l'anodo ed è seguita da un'altra capacità di disaccoppiamento e dal carico d'uscita.
Figura 4: lo schema elettrico dell'amplificatore a valvola
Anche se lo schema non è provvisto dell'alimentazione del filamento, occorre sempre prevederlo altrimenti esso resta "freddo".
Funzionamento e misure
E' opportuno eseguire una simulazione al PC e poi passare alla realizzazione vera e propria, prestando sempre la massima attenzione all'alta tensione. Per gli interessati, il modello SPICE della valvola è il seguente:
.SUBCKT 12AU7 1 2 3 ; P G C; NEW MODEL
+ PARAMS: MU=21.5 EX=1.3 KG1=1180 KP=84 KVB=300 RGI=2000
+ CCG=2.3P CGP=2.2P CCP=1.0P ; ADD .7PF TO ADJACENT PINS; .5 TO OTHERS.
E1 7 0 VALUE=
+{V(1,3)/KP*LOG(1+EXP(KP*(1/MU+V(2,3)/SQRT(KVB+V(1,3)*V(1,3)))))}
RE1 7 0 1G
G1 1 3 VALUE={(PWR(V(7),EX)+PWRS(V(7),EX))/KG1}
RCP 1 3 1G ; TO AVOID FLOATING NODES IN MU-FOLLOWER
C1 2 3 {CCG} ; CATHODE-GRID; WAS 1.6P
C2 2 1 {CGP} ; GRID-PLATE; WAS 1.5P
C3 1 3 {CCP} ; CATHODE-PLATE; WAS 0.5P
D3 5 3 DX ; FOR GRID CURRENT
R1 2 5 {RGI} ; FOR GRID CURRENT
.MODEL DX D(IS=1N RS=1 CJO=10PF TT=1N)
.ENDS
Si applichi, ora, all'ingresso un segnale di circa 10mV0p. Se tutto è a posto, in uscita si dovrebbe osservare un segnale in opposizione di fase ma amplificato di circa 12-13 volte, come mostra la figura 5.
Figura 5: il grafico della simulazione. La traccia celeste è il segnale d'ingresso, quella verde è il segnale d'uscita
Possiamo aumentare tranquillamente il segnale d'ingresso fino a circa 5V senza che esso sia soggetto a distorsione.
Conclusioni
Il prototipo appena realizzato costituisce, a tutti gli effetti, un pre-amplificatore utile in mille occasioni. Può essere utilizzato come stadio tra la chitarra e l'amplificatore finale. La passione per le valvole è ancora molto "accesa" nel mondo dell'elettronica, specialmente nel campo audio. Sono in molti, addirittura, a costruirsi in casa tali componenti, anche se la loro realizzazione risulta estremamente complicata. Invitiamo i lettori ad approfondire l'argomentazione in quanto ciò che abbiamo scritto costituisce solo un punto iniziale per cominciare a studiare questi fantastici componenti. Ribadiamo ancora una volta di stare sempre attenti all'alta tensione elettrica utilizzata, pericolosa ma necessaria per il funzionamento delle valvole termoioniche.
Bell’articolo Giovanni. Una volta avevo un Fender 75 con un suono fantastico. Ricordo che un giorno ho trovato dietro all’ampli uno switch che rendeva il suono molto piu’ “cremoso”, anche se meno potente. Alla fine avevo scoperto l’acqua calda: quello switch trasformava le valvole da pentodo a triodo, dando quel risultato.
Alla fine non ricordo se fossero quelle del pre o del finale, ma risultando in un suono meno potente, credo si trattasse del finale.
Per ottenere realmente il suono che volevo (una specie di suono Steve Ray Vaughan ma senza Leslie) facevo saturare il pre con un TS9, ovvero un tube screamer versione “moderna” (quello di SRV era un TS808).
Grazie Riccardo.
Iniziai a usare le valvole con un po’ di paura, a dire il vero, per via dell’alta tensione necessaria. Ma una volta che ci prendi la mano, sempre con attenzione, lavori con assoulta tranquillità.
Si, e’ un mondo che mi ha sempre affascinato, poiche’ l’ho sempre visto come chitarrista principalmente e ho sempre visto i tecnici come dei guru/alchimisti a cui ti rivolgevi quando volevi un bel suono.
Attualmente ho una testa pre e un finale della Brunetti, casa italiana, molto quotata e molto buona. Il loro pre che sto usando riesce a darti sia il pulito tipico dei Fender che il crunch tipo Marshall non tirato. Il canale super saturo invece non mi piace molto, e preferisco (per miei gusti musicali) far saturare il canale del crunch col Tube Screamer o similari.
Trovo che il mondo delle valvole, orientato agli ampli nel mio caso, e’ veramente una specie di bottega artigianale. E’ personalmente, continuo a rimanere con ampli analogici, anche se quelli digitali sono ormai per certi versi indistinguibili come suono.
Ma la valvola e’ piu’ calda e poi comprime naturalmente il suono, senza dover usare dei compressori di dinamica ad hoc.
Peccato solo che i T.U. siano una criticità. C’è chi se li costruisce da se, ma sono molto più complicati dei normali Trasfo.
Cercavo di capire per cosa stia la “U” della sigla qui sopra. “T” credo stia per Tube…magari sta per Unit. Mi chiedevo anche (scusa sono un profano di elettronica analogica di potenza) come mai li paragoni ai trasformatori, nel senso: da quello che so io i trasformatori alzano la tensione (o viceversa) risultando in una corrente diminuita (o alzata rispettivamente), in modo che la potenza trasferita sia costante (trascuro la perdita di calore).
Invece gli amplificatori alzano proprio la potenza del segnale, prelevando l’alimentazione da un’altra parte.
No, T.U. come trasformatori d’uscita per il pilotaggio di un altoparlante.
Ah ecco, questo mi chiarisce tutto, grazie della spiegazione. Infatti il T.U. si fa sentire eccome quando devi trasportare l’ampli, perche’ credo sia a tutti gli effetti la parte piu’ pesante dell’interno finale.
Mi potrebbe spiegare la differenza ? , tipo di avvolgimenti o un discorso di rapporti ?
Una sostanziale è che i trasformatori per alimentatori sono dimensionati per avere una determinata reattanza induttova alla frequenza di 50Hz,, mentre quelli audio, ovviamente sono tarati per frequenze audio, quindi piuì alte di 50 Hz.
ok, devo ripassarmi il discorso della reattanza, ma mi ha reso l’idea. grazie.
Per capire meglio come funziona il TU, anche per chi non è proprio un elettronico consiglio questa paginetta:
http://www.riparatore.altervista.org/docs/valvole/tr_uscita/index.html
Sul discorso peso dell’ampli incide mooolto di più il trasformatore di alimentazione più che il TU.