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Smaltimento del calore negli amplificatori valvolari

Indice Argomento Corrente

2) Fonti di calore negli amplificatori a valvole termoioniche

3) Calore prodotto dai filamenti

4) Calore prodotto dagli anodi delle valvole

5) Misura strumentale della potenza massima assorbita

6) Problemi prodotti dal calore in eccesso

7) Strategie per lo smaltimento del calore in eccesso

9) Pulizia delle valvole e smaltimento del calore

1 - Introduzione

Il calore passa da un corpo più caldo ad uno più freddo usando tre metodi diversi:

Conduzione: Quando due corpi sono in contatto il calore si trasferisce da quello più caldo a quello più freddo per conduzione.
Convezione: Se un oggetto è a contatto con un gas come l'aria il calore scaldando l'aria a contatto ne provoca la diminuzione di densità, quindi l'aria calda sale e viene rimpiazzata da altra aria fredda.
Questo genera il fenomeno dei moti convettivi e la trasmissione del calore per convezione.
Irraggiamento: Quando un corpo è nel vuoto ed arriva ad una certa temperatura emette calore sottoforma di radiazioni elettromagnetiche dai raggi infrarossi alla luce visibile (emissione di fotoni) che si dipartono dallo stesso a 360° e si comportano come la luce, quindi possono venire assorbiti o riflessi dagli oggetti che colpiscono.

2 - Fonti di calore negli amplificatori a valvole termoioniche

In un amplificatore a valvole termoioniche le fonti di calore sono concentrate soprattutto sulle valvole finali di potenza.
All'interno di queste le fonti di calore sono il riscaldamento dei filamenti e la dissipazione dell'anodo (dove è dissipata tutta l'energia cinetica degli elettroni che in una valvola si trasforma in calore).
Nella valvola c'è il vuoto, quindi il calore non si può trasferire dall'anodo al vetro (o comunque all'involucro esterno) per conduzione, quindi viene irraggiato sottoforma di raggi infrarossi.
Il materiale di cui è costituito l'anodo in genere permette una temperatura di funzionamento molto alta ed è scelto apposta a questo scopo per massimizzare la produzione di raggi infrarossi che è proporzionale alla temperatura dell'oggetto che li emette secondo la seguente formula: J=σT⁴ dove J è l'energia irradiata, σ la costante di Stefan-Boltzmann e T la temperatura dell'oggetto.
Quindi abbiamo sempre una parte del calore irraggiato all'interno del cabinet dell'amplificatore.

Un'altra fonte di calore sono i trasformatori di alimentazione e le resistenze, ma si tratta di una parte trascurabile, in genere, rispetto alle valvole.

3 - Calore prodotto dai filamenti

Smaltimento del calore in un amplificatore a valvole

Il calore prodotto per riscaldare i filamenti delle valvole e' costante nel tempo e facilmente calcolabile.
Per ogni valvola si calcola la corrente assorbita dal filamento moltiplicata per la tensione di filamento.
Per esempio, nel caso dell'amplificatore sopra, si tratta di un Audio Research Classic 60, quindi monta come valvole finali 8 6550s che hanno una tensione di filamento di 6,3 Volt e una corrente di filamento di 1,6 Ampere.
Quindi la potenza richiesta per il filamento è 6,3 x 1,6 = 10,08 Watt, quindi in totale la potenza impiegata per accendere i filamenti delle otto valvole finali sarà 10,08 x 8 = 80,64 Watt.
Sommando anche la potenza richiesta per le valvole driver e quella dissipata dal trasformatore (che non ha un rendimento del 100%) ci si avvicina ai 100 Watt solo per i filamenti.

4 - Calore prodotto dagli anodi delle valvole

Il calore che si sviluppa sull'anodo è dovuto alla energia cinetica degli elettroni che urtando l'anodo la cedono a quest'ultimo sottoforma di calore.
Dipende quindi dalla corrente che passa nelle valvole.
Se si tratta di un finale single ended (in classe "A") la potenza richiesta a riposo (in assenza di segnale in ingresso) è quella massima, quindi è di facile calcolo, mentre nel caso di un amplificatore push-pull in classe "AB" la potenza dissipata varia in funzione del segnale in ingresso e senza segnale è relativamente bassa e dovuta solo alla corrente a riposo, quindi per un calcolo veritiero dovremo misurare la corrente efficace con un segnale di ingresso che porti l'amplificatore alla sua potenza massima.
Quindi in linea di massima basta misurare la corrente che passa nella valvola e moltiplicarla per la tensione anodica, poi sommare le potenze richieste da ogni singola valvola.

5 - Misura strumentale della potenza massima assorbita

In fase di progetto occorre eseguire i calcoli con un approccio matematico, nel caso un amplificatore già costruito basta collegare l'amplificatore ad un wattmetro sulla linea di alimentazione e poi stimolarlo con un segnale tale da produrre in uscita una potenza del 100% della massima potenza.
Negli amplificatori in classe "A" non serve neppure il segnale in ingresso, questo tipo di amplificatore consuma la massima potenza, e quindi produce il massimo calore a riposo.

6 - Problemi prodotti dal calore in eccesso

Le valvole sono relativamente insensibili al calore, i danni maggiori li subiscono i condensatori elettrolitici che hanno un tempo di vita strettamente legato alla temperatura di esercizio.
Anche i supporti delle valvole ed eventualmente il circuito stampato subiscono un invecchiamento precoce se sottoposti a forte calore.

7 - Strategie per lo smaltimento del calore in eccesso

Di seguito le metodologie più comuni impiegate per lo smaltimento del calore:

In genere come prima scelta per lo smaltimento del calore si fa affidamento su un cabinet estremamente traforato e su una disposizione dello stesso in modo tale da non ostacolare la libera circolazione di aria.
In alcuni progetti le valvole di potenza sono poste all'esterno del cabinet in modo tale da generare una netta separazione fra i componenti interni, schermati dal calore e dalle valvole che lo generano.
Sovente per aumentare i moti convettivi e ostacolare la formazione di zone in cui il calore si concentra il cabinet viene traforato in corrispondenza degli zoccoli delle valvole e queste ultime sono montate esterne.
Unico problema e quello della sicurezza che si ovvia coprendo le valvole con una reticella metallica (per salvarle da urti e conseguente rottura con esposizione degli elettrodi sotto tensione)
Avere un cabinet costituito da un metallo buon conduttore di calore (come ad esempio l'alluminio o il rame) piuttosto che da legno aiuta molto lo smaltimento del calore, sfruttando le doti di conduzione del metallo e una superficie radiante il più possibile estesa, magari aumentandola ulteriormente con l'utilizzo di alette di raffreddamento.
Poi in caso di cabinet di metallo vi sono dei trucchi per massimizzare la dissipazione di calore che consistono nell'aumentarne la rugosità superficiale (per esempio tramite sabbiatura) per aumentarne la superficie esposta e verniciare il metallo di nero.
Come estrema misura si possono impiegare delle ventole per generare una circolazione forzata dell'aria.
Questa è di gran lunga la soluzione più efficace.
In genere questo sistema si adotta quando per ridurre lo spazio impiegato le valvole sono messe a ridosso le une delle altre e relativamente vicine ai condensatori di stabilizzazione.
Questa soluzione ha lo svantaggio di produrre rumore acustico ed elettrico, quest'ultimo sottoforma di disturbi prodotti dalla commutazione dei mosfet del motore brushless o delle spazzole per i motori vecchio stile che si propagano sulla linea di alimentazione e produce più problemi di quanti ne risolva.

Smaltimento del calore con valvole esterne al cabinet

Classico esempio di valvole poste all'esterno del cabinet.
Questa soluzione oltre che facilitare lo smaltimento del calore ottimale ha anche una certa valenza estetica.
Da notare che il metallo su cui appoggiano le valvole serve da sbarramento per il calore radiante prodotto dalle stesse schermando di fatto la parte interna dal calore.
Per ragioni di sicurezza questo tipo di cablaggio viene sempre protetto con una struttura metallica appositamente traforata o una griglia metallica.

Smaltimento del calore con circolazione forzata di aria

Particolare del circuito stampato in vetronite (che è particolarmente resistente al calore, molto meglio della bachelite).
Si tratta dello stesso amplificatore della Audio Research di cui sopra fotografato da sotto, nella sezione delle valvole finali di potenza.
La vetronite è stata finemente forata per non ostacolare l'aria di raffreddamento.
Fra l'altro, questo amplificatore come scelta costruttiva è stato fatto il più compatto possibile, quindi sono state usate due ventole per estrarre l'aria calda in modo forzato facilitandone la circolazione a tutto vantaggio dello smaltimento del calore.
In questo caso il calore generava problemi di "convivenza" fra le valvole e i componenti a semiconduttore presenti all'interno, essendo questo un progetto "ibrido", che ha reso necessaria questa soluzione.

8 - Ventilazione forzata

Questo tipo di tecnica prevede l'uso di ventole per produrre un forte flusso di aria che permette di estrarre il calore.
Questo prevede che in fase di progetto si definisca anche il percorso che l'aria dovrà compiere all'interno del mobile in modo da asportare il calore nel modo più efficiente senza generare sacche in cui l'aria ristagna creando dei punti caldi.
Questa tecnica, seppur efficiente non è priva dei seguenti inconvenienti:

Rumore acustico.
La ventola ruotando produce rumore generato dalle pale che investono l'aria.
Rumore microfonico.
La ventola ruotando per effetto di seppur minimi sbilanciamenti produce vibrazioni che si propagano alle valvole e si trasformano per effetto microfonico in rumore elettrico.
Oltre a questo la ventola genera anche un rumore elettrico diretto, prodotto dalla commutazione del motore (sia esso a spazzole che brushless) che si propaga per conduzione (attraverso la linea di alimentazione) o per irraggiamento (campo elettrico e magnetico) e rientra negli stadi amplificatori.
Durata.
Essendo un organo meccanico soggetto ad usura, la vita della ventola non è mai troppo lunga.
Polvere.
Il flusso d'aria prodotto non è lineare ma all'interno del mobile si producono vortici e cambi di direzione e velocità nel flusso d'aria che favoriscono il deposito di polvere, sempre presente nell'ambiente.
Tenendo conto che nella sua vita attraverso il nostro apparato per effetto della ventola passano migliaia di metri cubi di aria il deposito di polvere in certi casi raggiunge dei livelli incompatibili con il corretto funzionamento e rende necessaria una periodica pulizia.

Nonostante tutto la ventilazione forzata rimane il metodo più efficiente per rimuovere il calore da una apparecchiatura, secondo solo al raffreddamento a liquido (vedi ad esempio il raffreddamento ad olio dei trasformatori di grossa potenza e ad acqua delle valvole di trasmissione).

NOTA: In fase di collaudo è auspicabile eseguire una ispezione per evidenziare punti caldi con una termocamera.
In questo modo si mettono anche a nudo problemi di surriscaldamento dei resistori dovuti a sbagliato dimensionamento degli stessi prima che il problema si traduca in malfunzionamenti e rotture che possono coinvolgere anche altri componenti.

9 - Pulizia delle valvole e smaltimento del calore

Una buona pulizia del vetro delle valvole è fondamentale al fine della trasmissione del calore, un vetro sporco assorbe il calore radiante facendo aumentare la temperatura del vetro della valvola.
Se poi lo sporco non è uniforme ma a chiazze si generano delle differenze di temperatura che portano ad aree più calde e altre meno calde sul vetro generando delle tensioni meccaniche che possono portare a delle rotture del vetro stesso.
E' auspicabile fare periodicamente una buona pulizia con prodotti sgrassanti (alcool etilico o meglio isopropilico) per togliere anche i residui localizzati di grasso che si depositano in seguito al maneggiamento delle stesse a mani nude.