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Progettazione Amplificatore Valvolare Single Ended - Progetto Audio Valvole

Questo amplificatore verrà progettato da zero partendo dalla scelta dello schema e dei componenti. Si cercherà di massimizzare sia la potenza che le caratteristiche impiegando componenti di buona qualità. L'approccio sarà classico per la circuitazione principale ma moderno per i circuiti di contorno come alimentazione e polarizzazione delle griglie, allo scopo di massimizzare le prestazioni e minimizzare la dissipazione di calore. Questa pagina è lo sviluppo dell'amplificatore dall'inizio alla fine comprese le note ed è simile ad un blog.

Indice Argomento Corrente

1) Filosofia di progetto

2) Scelta dello schema

3) Componenti già presenti

4) Scelta delle valvole

5) Schema di massima del preamplificatore e calcoli relativi

6) Cablaggio dell'amplificatore

1 - Filosofia di progetto

Questo amplificatore verrà progettato da zero partendo dalla scelta dello schema e dei componenti. La base di partenza è un kit che comprende il telaio, il trasformatore di alimentazione, i fori del telaio che obbligano l'utilizzo di uno zoccolo octal per le valvole e i trasformatori adattatori di impedenza. Si cercherà di massimizzare sia la potenza che le caratteristiche impiegando componenti di buona qualità. L'approccio sarà classico per la circuitazione principale ma moderno per i circuiti di contorno come alimentazione e polarizzazione delle griglie, allo scopo di massimizzare le prestazioni e minimizzare la dissipazione di calore. Il limite del progetto è nell'utilizzare un telaio già fatto che limiterà la dimensione dei componenti impiegabili.

2 - Scelta dello schema

Sceglieremo uno schema classico con alcune varianti e calcoleremo ad uno ad uno i componenti. Partiremo per semplicità da un telaio esistente, esistono diversi produttori di telai, sia di legno che di alluminio che di acciaio. Noi ne impiegheremo uno di acciaio, sicuramente molto resistente, mi piacciono anche quelli in legno ma necessitano della parte superiore in metallo per motivi di resistenza al calore. In questo caso dovremo farci andare bene gli spazi interni dove faremo il cablaggio. Il maggior limite è l'alloggiamento dei componenti di grandi dimensioni, come l'induttanza e i condensatori di livellamento. Il resto occupa poco spazio.

3 - Componenti già presenti

• Il trasformatore di alimentazione è sicuramente quello che limiterà maggiormente il progetto per via della tensione del secondario preposta all'anodica di 330Vca (misurati) con 180mA di corrente che produrrà a vuoto una tensione anodica di 330*1,41=465,3V che a regime presumibilmente si attesterà su 420-430Vcc in funzione della resistenza serie dell'alimentatore. Una tensione che obbliga all'utilizzo di condensatori di livellamento da minimo 500V che sono più rari più costosi e più ingombranti rispetto a quelli da 450V. Il trasformatore è da 200VA, quindi abbastanza potente per sperare di avere in uscita almeno 10W. Ma più avanti una volta deciso lo schema faremo le doverose verifiche sul dimensionamento.

• Il telaio, in acciaio con i fori per alloggiare 5 Valvole con zoccolo octal.

• I trasformatori adattatori di impedenza che sono visivamente abbastanza piccoli. Vedremo fino a che punto reggono. Ne ho a magazzino di più performanti ma voglio tenerli per il prossimo progetto che sarà quello di un amplificatore sempre single ended ma top di gamma.

4 - Scelta delle valvole

La scelta è fatta compatibilmente con quello che ho a magazzino.
Gli zoccoli octal limitano un po' la scelta, per le driver dovrò impiegare una valvola con una grande amplificazione per pilotare con una buona tensione le griglie delle EL34. La scelta è caduta sulla 6n9p. Mi rimangono ben 4 alloggiamenti, ho deciso di impiegare 4 valvole EL34 in parallelo 2 a 2. Ora occorre verificare se una 6n9p utilizzando i due triodi presenti all'interno, uno per ogni canale, è in grado di pilotare le griglie di 2 pentodi messi in parallelo, quindi con le capacità che si sommano, compreso l'effetto Miller.

 

5 - Schema di massima del preamplificatore e calcoli relativi

Sopra lo schema di massima del preamplificatore - driver.

Caratteristiche anodiche 6N9P estratte da un datasheet. La potenza massima che può dissipare è di circa 1W.

 

Retta di carico rossa

• Ho tracciato la retta di carico considerando una corrente di 2mA e una tensione anodica di 350V.

• Con 1Vpp abbiamo in uscita una tensione di circa 55Vpp quindi una amplificazione di 55 volte.

• La potenza dissipata dalla valvola è (V*Ia)/2=(350*0,002)/2=0,35W.

• L'impedenza di uscita è (V/Ia)/2=87,5KOhm.

• La resistenza R1 è V/Ia=175KOhm. Un po' alta.

Retta di carico verde

• Ho tracciato la retta di carico considerando una corrente di 3mA e una tensione anodica di 350V.

• Con 1Vpp abbiamo in uscita una tensione di circa 50Vpp quindi una amplificazione di 50 volte.

• La potenza dissipata dalla valvola è (V*Ia)/2=(350*0,003)/2=0,525W.

• L'impedenza di uscita è (V/Ia)/2=58,3KOhm.

• La resistenza R1 è V/Ia=117 KOhm. Va bene.

Retta di carico ocra

• Ho tracciato la retta di carico considerando una corrente di 4mA e una tensione anodica di 350V.

• Con 1Vpp abbiamo in uscita una tensione di circa 45Vpp quindi una amplificazione di 45 volte.

• La potenza dissipata dalla valvola è (V*Ia)/2=(350*0,004)/2=0,7W.

• L'impedenza di uscita è (V/Ia)/2=43,75 KOhm.

• La resistenza R1 è V/Ia=87,5 KOhm. Verso il limite alto della dissipazione della valvola.

caratteristiche anodiche della valvola doppio triodo 6N9P">

Calcolo del punto di funzionamento della valvola 6N9P - Riassunto dei dati

Tensione anodica	Corrente anodica	Potenza dissipata dalla valvola	Resistenza R1	Impedenza di uscita	Tensione di picco massima in ingresso	Tensione di picco massima in uscita
350V	2mA	0,35W	175 KOhm	87,5 KOhm	1,75Vpp	55Vpp
350V	3mA	0,525W	117 KOhm	58,3 KOhm	1,4Vpp	50Vpp
350V	4mA	0,7W	87,5 KOhm	43,75 KOhm	1Vpp	45Vpp

Note Varie:

• Perché ci interessa la tensione di picco massima in uscita? Perché deve essere maggiore della tensione di polarizzazione della griglia di controllo delle EL34 per spingere la potenza al massimo possibile. Ovviamente non arriveremo a rendere positiva la griglia di controllo delle EL34, tuttavia questo dato ci conferma che è possibile almeno portarla in prossimità dei zero volt.
• Perché ci interessa la tensione di picco massima in ingresso? La tensione di griglia della 6N9P senza adottare soluzioni circuitali diverse definisce il massimo segnale possibile in ingresso senza rendere positiva la griglia di controllo delle 6N9P.

Nell'immagine sopra le capacità parassite della EL34. Facciamo le verifiche per determinare se è compatibile con lo stadio che la pilota.

• La capacità totale per 2 valvole vista dalla valvola driver è data da (CapacitàIngresso+(CapacitàMuller*10))*2=54,4pF dove 10 è l'amplificazione della valvola.

• L'impedenza di detta capacità alla frequenza di 20KHz è data da 1/(2*PI*F*C)=147365 KOhm.

• Considerando R5 ed R6 del valore di 1MOhm l'impedenza totale di ingresso dello stadio amplificatore di potenza è 113819 Ohm considerando il parallelo con R5 ed R6.

In conclusione la valvola 6N9P è in grado di pilotare lo stadio amplificatore finale spinta un po' al limite. Occorre mediare fra l'amplificazione e l'impedenza di uscita dello stadio. Nota positiva, la 6N9P lavora in una zona lineare delle caratteristiche. Ci sarà una limitazione della banda passante per le frequenze ultrasoniche che può essere utile per evitare autooscillazioni.

Valori dei componenti:

R1=100 KOhm

R2=100 KOhm

R3+R4=500 Ohm

R3=470 Ohm

R4=30 Ohm

R5=R6=1 MOhm

C1=C2=220 nF 630V

C3=470 uF 6,3V

Trim1=Trim2=500 KOhm

5 - Schema di massima dell'alimentatore anodico e di griglia controllo

L'alimentatore avrà uno schema classico e impiegherà un raddrizzatore al silicio.

Come potete vedere niente di più classico. I parametri utilizzati per la scelta di questi componenti è la seguente:

• La dimensione massima dei condensatori di livellamento è dettata dallo spazio disponibile nel telaio.

• Come vedete il trasformatore è connesso ad un ponte di Graetz (PD1) che deve sopportare una tensione inversa di almeno 1000V.

• L'induttore di livellamento L1 sempre per motivi di spazio è limitato a 3,7H.

• R2 è calcolata per avere ai capi una caduta di tensione tale da avere ai capi di C4-C5 una tensione di circa 300-350V.

• I condensatori C3-C5 sono per velocizzare l'erogazione di corrente dei condensatori di livellamento più grandi che hanno una induttanza serie parassita che limita i transienti di corrente. Nel contempo contribuiscono ad eliminare disturbi in alta frequenza captati dalla rete di distribuzione dell'energia elettrica.

Per quello che riguarda la polarizzazione della griglia di controllo delle EL34 anche in questo caso si tratta di uno schema classico a singola semionda con uno zener di stabilizzazione della tensione in uscita. Si utilizza un solo diodo raddrizzatore perché l'assorbimento è molto basso. Il diodo led serve per verificare il funzionamento del circuito. Lo zener stabilizza la tensione in uscita e il condensatore C6 serve per eliminare il rumore introdotto dallo zener. Il condensatore C7 è un ulteriore condensatore di livellamento, anche se praticamente inutile.

Valori rilevati:
Alimentatore anodica, tensione a vuoto 450Vcc, con carico 360Vcc.

Sopra lo schema completo dell'amplificatore in cui compare un solo canale, l'altro ovviamente è esattamente uguale. Le correnti di bias sono state tarate a 40mA per valvola utilizzando i 4 trimmer multigiri.

5 - Cablaggio dell'amplificatore

Il cablaggio dell'amplificatore è stato eseguito utilizzando una tavola di legno essiccata e verniciata per eliminare il problema dell'igroscopicità del legno e come supporti a saldare sono stati utilizzati dei chiodi in ottene.

Particolare della sezione alimentatore in cui sono visibili i 4 trimmer multigiri per la taratura del bias delle 4 valvole finali.

Sono stati utilizzati due led, uno posto sull'alimentatore delle griglie controllo e l'altro sull'anodica con la funzione di evidenziare il corretto funzionamento del'alimentatore.
I condensatori di livellamento sono stati fissati con della colla a base poliuretanica resistente al calore.
La massa comune di alimentazione realizzata con un filo di rame di grosso diametro è stata collegata al telaio per evitare il ronzio, così come il filo di terra.

Sotto, come si presenta esteticamente l'amplificatore.

Le valvole EL34 sono state recuperate da magazzino e sono di due brand diversi come si può capire dal diverso colore degli zoccoli.

La potenza massima in uscita si aggira su 4-5W con una distorsione del 5-6% su un carico di 8 Ohm..