Alimentazione degli apparati a valvole con bassa tensione

1 - E' possibile alimentare apparati a valvole termoioniche a bassa tensione?

Certo, ci sono tubi progettati per impieghi a batteria, per esempio le radio delle automobili, le radio ricetrasmittenti militari trasportabili, unica limitazione è impossibile ottenere della potenza con questo tipo di approccio.
Quindi in genere sono tubi adatti a funzionare in radioricevitori e non come amplificatori di potenza.
Negli apparati a batteria, come le autoradio vi erano principalmente tre possibilità per utilizzare le valvole termoioniche:

1. Utilizzare delle valvole espressamente progettate per funzionare con anodica a bassa tensione.
2. La più utilizzata consisteva nell'impiego di un circuito vibratore meccanico, una specie di piccolo inverter meccanico a rele' che poteva essere ridotto alla dimensione di una valvola octal (con lo zoccolo per poterlo rimpiazzare velocemente) e aveva il problema del consumo dei contatti nonché produceva molto rumore elettrico.
3. Convertitore rotativo composto da un motore che funziona alla tensione della batteria e una dynamo (dynamotor) o un alternatore collegato sull'asse del motore che produceva la tensione continua, nel caso della dynamo e alternata nel caso dell'alternatore per alimentare le valvole.
   Soluzione spesso adottata in apparati militari visto il costo.

2 - Valvole con anodica a bassa tensione e "carica spaziale"

Alla fine degli anni "50 gli ingegneri della Tung-Sol decisero di creare una serie di valvole adatta a funzionare con la batteria delle automobili (12V) sia per quello che riguarda la tensione di alimentazione dei filamenti che la tensione anodica, adatte ad essere montate sulle autoradio.
Queste valvole differiscono da quelle standard in quanto la prima griglia, quella di controllo che usualmente ha un potenziale negativo rispetto al catodo, veniva polarizzata positivamente (con un potenziale fisso) per attrarre gli elettroni presenti nella nube elettronica attorno al catodo (detta anche carica spaziale) verso l'anodo.
Una seconda griglia posta più in prossimità dell'anodo ha la funzione di griglia di controllo.
Questo espediente unitamente ad una progettazione mirata a ridurre la distanza fra gli elettrodi ha permesso di abbassare notevolmente la tensione richiesta per permettere agli elettroni di migrare da catodo ad anodo.
Questo espediente a volte non è neppure necessario, vi sono dei tubi che funzionano tranquillamente a tensioni di 12V anche senza adattamenti di nessun tipo.
Di seguito una lista dei principali tubi espressamente nati per alimentazione anodica a bassa tensione:

Ovviamente essendo la tensione di alimentazione bassa la massima elongazione del segnale in uscita da un circuito del genere non può eccedere la tensione stessa (come valore picco a picco).
Altro problema è che dette valvole non possono essere impiegate in amplificatori di potenza perché essendo le tensioni e le correnti in gioco molto limitate anche la potenza in gioco è bassa.
Quindi nel caso di una radio al massimo possiamo pilotare una cuffia ad alta impedenza.

3 - Valvole con anodica a bassa tensione: impieghi attuali

Attualmente (anno 2014) mi è capitato di vedere diverse applicazioni di valvole a bassa tensione per pilotare (aiutate in genere da un mosfet utilizzato come adattatore di impedenza) delle cuffie a bassa impedenza.
Altro caso è quello dei buffer valvolari che si usano fra pre e finale per conferire al suono una nota valvolare.
Sono dei circuiti che cercano di unire il "sound" delle valvole a quello dei componenti allo stato solido per avere una timbrica tipicamente valvolare.
In linea di massima è possibile costruire un po' di tutto partendo da queste valvole, a parte come anzidetto amplificatori di potenza.
Certamente con lo sviluppo della tecnologia degli alimentatori switching è anche possibile produrre con una certa facilità tensioni tali da poter pilotare anche valvole standard, certamente più facili da reperire.

4 - Impiego dei tetrodi e pentodi standard in configurazione "carica spaziale" per bassa tensione anodica

Esempio con un generico pentodo: La griglia di controllo viene collegata al positivo e la griglia schermo diventa la griglia di controllo. Tutto il resto rimane invariato rispetto ad una configurazione classica a catodo comune. Con questo tipo di configurazione il comportamento della valvola esula da tutte le possibili misure fatte sui datasheet quindi dovremo testarla e rilevare nuovamente le caratteristiche anodiche.

Esempio con un generico tetrodo: La griglia di controllo viene collegata al positivo e la griglia schermo diventa la griglia di controllo. Tutto il resto rimane invariato rispetto ad una configurazione classica di un tetrodo a catodo comune. Con questa configurazione ci si può aspettare che le caratteristiche anodiche assomiglino di più a quelle di un triodo.

Altro aspetto da prendere in considerazione è che usando la prima griglia per accelerare gli elettroni verso l'anodo la resistenza interna della valvola si abbassa, si riduce la carica spaziale e di conseguenza si dovrebbe ridurre in egual misura il rumore prodotto dalla valvola stessa.
Infatti come è noto, gli elettroni presenti nella carica spaziale e non inviati all'anodo ricadono ciclicamente sul catodo con un andamento tipicamente statistico, generando rumore.

5 - Studio di fattibilità dell'impiego di valvole standard a bassa tensione

Abbiamo ricavato le caratteristiche di alcune valvole ipotizzando un impiego a tensione anodica ridotta e abbiamo riportato i risultati nel capitolo "Utilizzo pratico delle valvole standard con bassa tensione anodica".
Si tratta di un esercizio di stile per dimostrare quanto sia limitante l'utilizzo in tali condizioni di valvole non progettate allo scopo.
Questo in risposta al diffondersi dei cosidetti buffer valvolari a bassa tensione che si trovano in commercio.

6 - L'alimentazione anodica delle valvole negli apparati alimentati a batteria

Questa era l'alternativa all'uso delle valvole con anodo a bassa tensione.
Si tratta di survoltori che trasformano la tensione di batteria e la portano ad un voltaggio compatibile con l'alimentazione anodica delle valvole standard.
In definitiva si tratta dei precursori meccanici degli alimentatori step-up switching.

Alimentatore a dynamotor: Si tratta di un survoltore realizzato trasformando la bassa tensione con l'ausilio di un motore in corrente continua in moto che a sua volta viene ritrasformato in energia elettrica con una dynamo o un alternatore. E' un trasformatore rotante.
Alimentatore a vibratore asincrono e sincrono: Si tratta di un dispositivo meccanico che funziona sullo stesso principio dell'inverter, solo che al posto dei mosfet sono impiegati dei contatti meccanici come deviatori. Può essere del tipo asincrono, in questo caso all'uscita avremo una tensione alternata o sincrono che produce corrente continua e quindi non ha bisogno di diodi rettificatori.

7 - L'alimentazione anodica delle valvole negli apparati alimentati a batteria: un approccio più moderno

Esistono in commercio da alcuni anni degli alimentatori a commutazione (switching) in grado di convertire una tensione che in genere si aggira sui 12V (come quella di una batteria) in tensioni ben più elevate dell'ordine di 300-400V.
La potenza fornita è in genere bassa, dell'ordine delle decine di watt e sono adatti alla alimentazione di preamplificatori e distorsori per strumenti musicali anche tenuto conto del piccolo ingombro.

Il dominio audiovalvole.it è di proprietà di Nexus Services srl - Via Cavallino 7 - 47854 Montescudo - Monte Colombo - REA:RN-304351 - P.IVA 03690050400 - Tutti i contenuti sono di proprietà dell'autore del sito, Mauro Patrignani salvo dove espressamente indicato. Tutti i diritti sono riservati. Vietata la copia e la riproduzione anche parziale. ©Mauro Patrignani.