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Progetto preamplificatore distorsore / overdrive per chitarra e basso elettrico
Per la progettazione di questo preamplificatore utilizzeremo una tecnica top-down dove svilupperemo uno stadio alla volta utilizzando un approccio pratico invece di uno matematico.
Questo tipo di approccio è alla portata di tutti e vi permette di avere un buon prodotto finale al netto della differenze che si riscontrano fra i valori da datasheet e i valori reali nel caso delle valvole queste differenze sono rilevanti.
Quello che poi mi preme è dare la possibilità di progettare questo tipo di apparati anche a chi non ha le basi per un approccio matematico. Un altro aspetto che ci tengo a mettere il luce è che utilizzando delle valvole avrete un risultato finale che sarà diverso da quello ottenibile con apparati commerciali basati su elettronica allo stato solido, quindi non otterrete un clone di qualche pedale già esistente ma qualcosa di diverso che vi potrà piacere o meno ma che sarà comunque "particolare".
Quello che vedrete di seguito è un prodotto finito e funzionante frutto di svariati step di sviluppo.
1 - La chitarra elettrica e il basso elettrico: caratteristiche del suono in uscita
In genere un pickup normale, non attivo di una chitarra elettrica ha in uscita un segnale con una tensione che arriva ad un valore di picco, dipendente dal tipo di pickup e dal setup da qualche qualche centinaio di millivolt ad un volt.
Noi in fase di progetto considereremo di avere una tensione di 100mVpp (il segnale di un pickup può arrivare anche a 1Vpp ma in ogni caso possiamo abbassarlo utilizzando il potenziometro P1 all'ingresso oppure utilizzando il controllo volume della chitarra), oppure aumentarlo utilizzando un preamplificatore.
Nel caso della chitarra elettrica viene ricercata in fase di progettazione una notevole distorsione del segnale amplificato allo scopo di generare armoniche dello stesso che "colorano" il suono dando delle caratterizzazioni.
Il progetto di seguito è in grado di produrre alla sua uscita sia un segnale pulito che un segnale altamente distorto.
Abbiamo voluto creare un circuito senza badare troppo al risparmio ma molto versatile e con delle buone caratteristiche.
Le caratteristiche di progetto sono le seguenti:
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Prima uscita relativamente indistorta con discreta amplificazione (clean)
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Seconda uscita più distorta (overdrive)
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Terza uscita altamente distorta (fuzz)
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Impedenza di uscita relativamente bassa.
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Selettore per selezionare le uscite
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Potenziometro in ingresso
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Potenziometro in uscita
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Segnale in uscita della stessa ampiezza con il selettore su qualsiasi posizione
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Bassa tensione di alimentazione.
2 - Caratteristiche dell'alimentazione del distorsore/overdrive per chitarra elettrica
Allo scopo di rendere più flessibile l'utilizzo e ridurre l'ingombro e il peso per questo progetto abbiamo scelto un approccio più moderno e tecnologico.
La tensione di alimentazione anodica e di filamento viene ottenuta con due convertitori DC-DC che possono essere alimentati da 12V a 30V.
La bellezza di questo tipo di approccio un po' estremo è che la tensione di alimentazione è regolabile e stabilizzata.
Questo ci permetterà di alimentare i filamenti esattamente a 6,3V e mantenere la polarizzazione stabile.
L'ingombro di questa soluzione è un decimo rispetto ad un trasformatore standard.
L'unico svantaggio è il rumore ad alta frequenza generato dall'alimentazione che tuttavia non sarà udibile e verrà quasi totalmente eliminato dalle caratteristiche di banda passante dell'elettronica alimentata.
Il tutto si può alimentare anche a batteria fermo restando che l'assorbimento è relativamente elevato, il consumo totale si aggira sui 5-6W quasi completamente dovuti al riscaldamento dei catodi, quindi a 12V assorbe al massimo una corrente di circa 500mA.
La tensione di alimentazione anodica è stata tenuta relativamente bassa (50V) in modo da ridurre la possibile elongazione del segnale allo scopo di mandare in clipping l'amplificatore molto prima che con una tensione di alimentazione anodica più alta.
In altre parole arriva più facilmente alla distorsione pur mantenendo una tensione di alimentazione accettabile per il buon funzionamento di questo tipo di valvole senza ricorrere a buffer o amplificatori operazionali, in altre parole costruendo tutta la parte analogica a valvole termoioniche.
Questo ci da anche la possibilità di utilizzare dei condensatori di disaccoppiamento con tensione massima di 50-65V e quindi di ridurne l'ingombro e il costo a parità di capacità .
3 - Caratteristiche del preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica
Un preamplificatore / distorsore per chitarra di tipo valvolare conferisce al suono un particolare timbro dovuto alla particolare distorsione introdotta dalle valvole e alle armoniche prodotte.
Prima di tutto occorre scegliere un triodo adatto all'amplificazione di un segnale molto basso che abbia una grande amplificazione.
Fra le valvole commerciali la più comunemente utilizzata è il doppio triodo 12ax7/Ecc83 o la variante russa 6n2p che differisce unicamente per la tensione di alimentazione del filamento e una amplificazione leggermente più bassa, ma reperibile anche nella versione militare 6n2p-EV che è particolarmente ben costruita e ha una durata minima di 5000 ore.
Abbiamo optato per quest'ultima.
L'impiego 6n2p vista la grande amplificazione in tensione di questo tipo di valvola semplifica di molto lo schema riducendo il numero di valvole necessarie.
Di seguito le caratteristiche salienti della valvola.
Tipo 6N2P-EV doppio triodo pre amplificatore per bassa frequenza |
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5,7-6.9 Volt | |
Corrente di filamento | 340±35 mA |
2.25±0.45 pF | |
Potenza massima dissipabile | |
Coefficiente di amplificazione (da notare la grande tolleranza costruttiva) | 97.5±17.5 (minimo 80) |
Massa | 15 grammi |
Contenitore | Vetro miniatura |
Durata di vita minima | 5000 ore |
100 Volt | |
Massima tensione anodica | 300 Volt |
Massima corrente anodica | 10 mA |
Resistenza del circuito di griglia | 0,5 MΩ |
 | A sinistra le caratteristiche del contenitore di vetro della valvola, a destra lo schema di collegamento dei piedini della valvola. |  |
Da notare la schermatura fra i due triodi che è collegata al piedino 9 e deve essere collegata a massa.
I due filamenti che scaldano il catodo dei due triodi presenti all'interno sono collegati in parallelo, questa è una caratteristica che fa si che questa valvola non sia direttamente compatibile con la ECC83 di cui ricalca grossomodo tutte le altre caratteristiche.
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Parte saliente delle caratteristiche anodiche |
Il fase di progetto terremo conto del minimo coefficiente di amplificazione garantito, ovvero 80.
4 - Progettazione preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica: primo stadio preamplificatore
Nell'immagine sopra le caratteristiche anodiche di una valvola 6n2p prese da un datasheet.
Tenendo in considerazione il segnale da amplificare per il primo stadio è inutile polarizzare la griglia oltre -0,5V (il segnale non riuscirà mai a renderla positiva). Partendo da questo valore e inclinando la retta di carico per avere una retta il più possibile vicina all'asse X per aumentare l'amplificazione scegliamo la resistenza anodica (R1) da 110KΩ.
Qui possiamo vedere il limite di questa valvola alimentata ad una tensione bassa, come i nostri 50V.
Non possiamo avere una grande corrente anodica e questo si tradurrà in una grande nube di elettroni attorno al catodo (carica spaziale) che aumenterà leggermente il rumore prodotto.
Sopra le caratteristiche anodiche (la linea rossa più alta) della 6n2p con la retta di carico che otterremo con una resistenza da 110KΩ (R1) che abbiamo ottenuto mettendo in parallelo due resistenze da 220KΩ.
Si noti facendo riferimento alla linea blu che più la retta di carico si avvicina all'asse "X" più l'amplificazione aumenta.
Il limite è dovuto all'innalzamento dell'impedenza di uscita.
Con questa polarizzazione facendo un rapido calcolo sul grafico possiamo aspettarci una amplificazione del segnale in ingresso di circa 40 Volte.
Quindi il nostro segnale in ingresso di 100mVpp in uscita arriverà ad una ampiezza di 4Vpp.
Di seguito procediamo con le misure di conferma. Per calcolare la resistenza di polarizzazione automatica R4 da mettere fra catodo e massa sapendo la tensione che vogliamo ottenere ai capi e la corrente che passerà : Vgk/Ia=0,25/0,0005=500Ω=0,5KΩ. Per quello che riguarda il condensatore C2 come per tutti gli altri condensatori di disaccoppiamento della resistenza di polarizzazione catodica adotteremo un valore standard di 100uF (16V).
Sopra la fotografia dello schermo dell'oscilloscopio. Sotto il segnale in ingresso, 100mVpp, 1000Hz, sopra il segnale di uscita misurato con una sonda 1/10 (divide per 10), quindi 4,5Vpp.
Il preamplificatore ha un guadagno di 45 volte (leggermente più alto di quello calcolato).
Il segnale di uscita con 100 mVpp sarà di 4,5Vpp. Questo fa si che il prossimo stadio non può essere uguale a quello appena calcolato. Infatti essendo la tensione del segnale superiore a quella di griglia la polarizzazione non andrebbe bene.
Dal secondo stadio avremmo in uscita 4,5Vppx45=202,5Vpp che è ovviamente impossibile, quindi avremo un segnale di poco inferiore a 50Vpp con un forte clipping.
Quindi un segnale a forte distorsione, alla massima elongazione consentita dalla tensione di alimentazione.
5 - Progettazione preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica: secondo stadio preamplificatore / distorsore
Per la progettazione del secondo stadio dovremo utilizzare un approccio diverso da quello del primo stadio.
Visto che l'elongazione del segnale in ingresso eccede di gran lunga il massimo segnale che possiamo applicare alla griglia senza farla diventare positiva prendiamo atto di questo e adottiamo una polarizzazione automatica di tipo grid-leak, ovvero utilizzeremo lo stesso segnale per polarizzare la griglia di controllo portandola in conduzione.
Questo provocherà un abbassamento dell'impedenza di ingresso di questo stadio e caricherà un po' il precedente diminuendo di un po' l'amplificazione.
Quindi procediamo con il progetto. Occorre tenere conto di quanto segue:
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Dal punto di vista della polarizzazione il tempo di scarica di R10-C5 deve essere tale da potersi adattare velocemente alle fluttuazioni del segnale di ingresso.
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Dal punto di vista della banda passante la frequenza di taglio del filtro R10-C5 deve essere inferiore o uguale a 20Hz.
L'impedenza di ingresso del triodo a regime è circa 1MΩ quindi per avere una frequenza di taglio di 20Hz, applicando la formula per calcolare il condensatore C5=1/(2xπxT1xFt) dove C5 è la capacità , π è pigreco=3,1415 e Ft la frequenza di taglio.
C5=1/(2x3,1415x1000000x20)=7,95nF.
Tenendo conto che quella ricavata per C5 è la capacità minima quindi qualsiasi valore più alto è meglio e che l'impedenza in fase di conduzione della griglia diminuirà proviamo arbitrariamente a calcolare il valore della costante di tempo per C5=50nF.
T=RxC=T1xC5=1000000x0,00000005)=0,05 Secondi. Dove T è il tempo che impiega il condensatore per andare dal 100% al 63% della sua carica.
E' un tempo sufficientemente breve per adattarsi alla variazione del segnale.
Quindi procediamo con il calcolo della resistenza di carico del secondo stadio. Visto che la retta di carico del primo stadio si adatta anche al secondo utilizziamo lo stesso valore di resistenza del primo stadio, ovvero 110 KΩ.
Sopra la fotografia dello schermo dell'oscilloscopio. Sotto il segnale in ingresso, 4,5Vpp, 1000Hz, sopra il segnale di uscita misurato con una sonda 1/10 (divide per 10), quindi 33,2Vpp.
Il preamplificatore ha un guadagno di 7,37 volte. L'amplificazione è ridotta dalla massima elongazione del segnale in uscita.
Dal terzo stadio avremo in uscita una tensione che sarà uguale a quella ottenuta con questo stadio, sempre per via della massima elongazione del segnale.
Quindi un segnale a forte distorsione, alla massima elongazione consentita dalla tensione di alimentazione.
6 - Progettazione preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica: terzo stadio, distorsore (fuzz)
Questo stadio riceverà un segnale già distorto dallo stadio precedente quindi la distorsione verrà portata ad un valore estremo, tale che in uscita vi sarà praticamente un'onda quadra, molto particolare perché una valvola in genere non è efficiente a tal scopo come un transistor quindi avrà i fronti di salita e discesa un po' più smussati.
Questo stadio sarà uguale al secondo perché deve avere le stesse caratteristiche.
7 - Progettazione preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica: quarto stadio, buffer
Questo stadio serve per adattare l'impedenza del segnale in uscita, ovvero ad avere una bassa impedenza di uscita (che non sarà mai troppo bassa visto il componente utilizzato, ovvero la valvola).
Quindi il suo scopo non è ne amplificare ne distorcere.
E' il classico stadio ad inseguitore catodico.
I due partitori resistivi R11/R7, R12/R13 servono per rendere i segnali in ingresso a questo stadio della medesima ampiezza, quindi devono essere calcolati a questo scopo. La tensione in uscita dovrebbe essere di 1Veff pari a 2,88Vpp per questioni di compatibilità con gli stadi che seguiranno, valore che tuttavia possiamo facilmente aggiustare con il potenziometro in uscita.
In questo caso per ridurre l'impedenza in uscita la retta di carico va inclinata il più possibile.
Tenendo conto che dobbiamo evitare che la griglia possa diventare positiva e considerando la massima elongazione del segnale in uscita utilizzeremo una polarizzazione di griglia compresa fra 0V e -1V nella parte geometricamente centrale.
Quindi circa -0,3V.
La tensione con griglia a -0,3V la corrente che attraversa la valvola è di 0,4mA quindi calcoliamo R8=Vr8/Ia=0,3/0,0004=750Ω.
Una volta stabilito il punto di lavoro possiamo determinare la resistenza Rak della valvola e l'adatto valore per R14 che dovrà essere uguale.
Ovvero Va/Ia=30/0,0004=75KΩ. Questo sarà anche il valore di R14 (per un adattamento di impedenza ottimale).
Comunque tenendo conto che in uscita non ci serve un segnale particolarmente grande, non ci saranno problemi.
8 - Calcolo dei partitori resistivi
La resistenza vista dall'uscita di ogni singolo stadio deve essere molto più alta di quella di uscita dello stadio stesso, quindi sceglieremo un resistore per R11 ed R12 di 220K, valore sufficientemente alto poi di conseguenza calcoleremo R7 ed R13.
Il rapporto dovrà essere uguale all'amplificazione dello stadio che è come abbiamo visto circa 7 volte.
Quindi 220/7=31,4KΩ, approssimato al valore commerciale di 33KΩ.
9 - Progettazione preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica: schema con valori dei componenti
10 - Misure su preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica
Abbiamo applicato all'ingresso di questo circuito un generatore di funzioni e all'uscita di ogni singolo stadio un oscilloscopio digitale con analizzatore di spettro. Di seguito i risultati.
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Sopra il primo stadio con 1KHz 100mVpp in ingresso con sonda 1/10 (divide per 10 il segnale).
Come vedete il segnale in uscita è praticamente indistorto.
Dall'analisi dello spettro si nota la presenza della seconda armonica.
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Sopra il secondo stadio con 1KHz 4Vpp in ingresso con sonda 1/10 (divide per 10 il segnale).
Come vedete il segnale in uscita è molto distorto con un forte clipping sulla parte superiore.
Dall'analisi dello spettro si nota la presenza di diverse armoniche ben visibili fino alla quinta (5KHz).
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Sopra il secondo stadio con 1KHz 1Vpp in ingresso con sonda 1/10 (divide per 10 il segnale).
Come vedete il segnale in uscita è molto distorto con un forte clipping sulla parte superiore.
Dall'analisi dello spettro si nota la presenza di diverse armoniche ben visibili fino alla diciottesima (18KHz).
Sulla parte superiore del segnale rilevato con l'oscilloscopio si vede che si genera una notevole asimmetria dovuta al tratto in cui la griglia della valvola per la forte polarizzazione negativa (dovuta alla polarizzazione indotta dal segnale stesso) è interdetta.
Questo tipo di distorsione è caratteristica della valvola con la griglia di controllo polarizzata con grid-leak.
L'ultimo stadio operando su un segnale di alto livello sfasato di 180° altro non farà che introdurre del clipping anche per quello che riguarda la parte bassa dell'onda che vedete, mantenendone tuttavia l'asimmetria.
Dalle misure sopra si deduce facilmente che la distorsione è proporzionale all'ampiezza del segnale in ingresso.
Per quello che riguarda il sustain l'ultimo stadio in pratica funge da riserva, ci dobbiamo aspettare quindi un sustain molto pronunciato che degraderà come contenuto di armoniche al ridursi del segnale in ingresso, ma non come ampiezza del segnale in uscita dall'ultimo stadio.
Nota: come vedete alla base della frequenza fondamentale e di alcune armoniche nell'analisi dello spettro si notano due linee verticali parallele per le frequenze 1000Hz-50Hz e 1000Hz+50Hz. Sono dei battimenti fra la frequenza fondamentale e la frequenza di 50Hz di rete che rientra nella sonda dell'oscilloscopio per accoppiamento capacitivo con la rete di distribuzione dell'energia, problema comune a tutte le misure eseguite in prossimità della stessa.
Per evitare il problema in genere si utilizza una sonda differenziale per l'oscilloscopio.
11 - Progettazione preamplificatore distorsore/overdrive per chitarra elettrica: possibili modifiche
Il terzo stadio per approssimarsi di più ad un effetto fuzz potrebbe essere modificato portando C4 a 5-10nF per tagliare un po' i bassi. Lo stesso dicasi per C5.
Con qualche piccolissima modifica per quello che riguarda l'alimentazione dei filamenti è possibile utilizzare le ECC83 o qualsiasi valvola doppio triodo che abbia un adeguato coefficiente di amplificazione.
Infine, i segnali che giungono al commutatore possono essere tutti assieme mandati ad un mixer per per trattarli insieme e ottenere una uscita combinata.
Tuttavia queste modifiche sono legate al genere musicale, al gusto personale ed alla collocazione dell'effetto nella catena di amplificazione.
12 - Considerazioni
Come avete potuto vedere l'approccio alla progettazione di questo circuito è stato molto pratico, alcuni valori sono stati ottenuti semplicemente utilizzando una decade resistiva per trovare il valore resistivo ottimale (controllando con generatore e oscilloscopio) poi sostituita con una resistenza.
E' sicuramente un approccio più sperimentale e divertente che non risolvere decine di equazioni (con il problema poi degli eventuali errori e della mancata corrispondenza del modello matematico al componente reale).
Questo tipo di approccio sicuramente deprecato dai matematici si adatta anche alla progettazione con valvole di cui non abbiamo le caratteristiche.
In più alla fine abbiamo un prototipo funzionante con cui fare le più svariate prove, anche sul campo.
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