“LIMPIDO” AMPLIFICATORE OTL CON LE 6080
All’amplificatore OTL viene accumunata la trasparenza del suono a causa della alta linearità che possiede, se ben progettato è paragonabile ad un ottimo ampli a transistor o a mosfet, inoltre non abbisogna, ovviamente, del trasformatore di uscita componente ingombrante e soprattutto costoso.
Lo scotto da pagare per ottenere un segnale al carico con bassa distorsione è far uso di una sensibile e obbligatoria retroazione, infatti non essendo interposto tra le finali ed il carico alcun trasformatore le correnti di placca assumono valori abbastanza alte tanto da intercettare molte delle curve anodiche che, come si sa, sono ben lontane dall’essere equidistanti e rettilinee per ampie escursioni di segnali che esistono in questo tipo di amplificatore.
Un’altra fonte di distorsione è la dissimmetria tra la semionda positiva e quella negativa dovuta alla diversa connessione dei tubi finali; infatti mentre il superiore (per intenderci quello collegato al positivo dell’alimentazione) è un “placca comune”, l’inferiore è un “catodo comune” e quindi essi non hanno uguali guadagni di tensione con la conseguenza, appunto, di amplificare in modo differente le due semionde.
Questa distorsione è trascurabile per valori di carico bassi ed è praticamente zero per i canonici 8 ohm;
Segue di seguito una breve descrizione del fenomeno per dare al lettore tutti gli strumenti necessari per analizzare e valutare, dal punto di vista didattico, il comportamento del circuito per arbitrari valori di carico, chi non ne fosse interessato può saltare oltre a piè pari.
Analizziamo la figura 1.
Fig1
Occorre distinguere 2 casi:
1°CASO: TUBI FUNZIONANTI IN CLASSE B E AB
In questo caso quando conduce una valvola l’altra si interdice. Immaginiamo che sulla griglia del tubo superiore (Utop) sia presente la semionda positiva mentre sull’altro tubo (Ubottom) la semionda negativa. In questa istantanea condizione la figura 1 si trasforma nella figura 2.
Fig 2
Come già scritto in precedenza la valvola superiore è in configurazione “placca comune” ed il suo guadagno è:
Dove:
ra = resistenza interna delle valvole (per le 6080 è mediamente pari a 280 ohm)
gm = trasconduttanza delle valvole (per le 6080 è pari a 7000 uS)
RL = carico (in questo progetto è pari a 8 ohm)
Nella ipotesi, in questo caso verificata, che ra >> RL (infatti 280 ohm >> 8 ohm) la [1] si trasforma nella:
Adesso consideriamo l’istantanea successiva alle precedente quando la valvola superiore è pilotata dalla semionda negativa ed è quindi interdetta e quella inferiore dalla semionda positiva ed è quindi in conduzione, figura 3
Fig 3
(La valvola inferiore in questa fase prende l’alimentazione dal condensatore caricato a metà della tensione di alimentazione).
Si nota che il tubo è in configurazione “catodo comune” ed il suo guadagno in tensione è il seguente:
(C’è il segno meno perché la valvola inverte il segnale in modo sia ricreata la semionda negativa sul carico).
Anche qui per ra >> RL la [3] diventa:
Adesso facciamo il rapporto dei moduli dei guadagni e otteniamo:
Per le nostre valvole il rapporto vale numericamente:
Come detto all’inizio questo tipo di distorsione è trascurabile per valori di carico così bassi.
Concludendo ricordo che la [2] e la [4] si possono usare solo se è trascurabile il carico rispetto alla resistenza interna della valvola (diciamo per RL minore o uguale a 0.1 volte ra) in caso contrario occorre utilizzare le formule [1] e [3] leggermente più complesse delle prime.
In questo caso la formula del rapporto tra i guadagni da usare è:
2°CASO: TUBI FUNZIONANTI IN CLASSE A
In questo caso ogni tubo lavora in zona attiva e l’uno vede l’impedenza dell’altro per l’intero periodo del segnale.
La valvola superiore vede il carico con in parallelo la resistenza di uscita di quella sottostante, allora la formula del guadagno diventa:
Anche qui per ra >> RL la [8] diventa:
Il tubo inferiore vede invece il carico con in parallelo la resistenza vista nel catodo di quello superiore.
Allora il suo guadagno risulta essere:
Che per ra >> RL risulta essere:
Ovvero i due guadagni sono identici e non si instaura la distorsione per dissimmetria ma solo se la resistenza di carico è almeno 10 volte minore della resistenza interna dei tubi, in caso contrario per venire a conoscenza della differenza tra i guadagni occorre applicare la seguente formula.
NOTE FINALI:
Quando si connettono in parallelo più valvole, i parametri della valvola risultante vengono modificati come segue:
u_tot = u, il fattore di amplificazione totale resta identico a quello di una sola valvola.
gm_tot = gm * n, la trasconduttanza totale aumenta di n volte, dove n è il numero delle valvole poste in parallelo.
PD_tot = PD * n, la potenza totale aumenta di n volte, dove n è il numero delle valvole poste in parallelo.
VA_tot = VA, la tensione massima di placca resta identica a quella di una sola valvola.
IA_tot = IA * n, , la corrente totale aumenta di n volte, dove n è il numero delle valvole poste in parallelo.
ra_tot = ra / n, , la resistenza anodica totale diminuisce di n volte, dove n è il numero delle valvole poste in parallelo.
FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO
L’amplificatore lavora in classe AB, con questa configurazione si ottiene maggiore potenza e maggiore rendimento rispetto ad un classe A. I tubi per ogni canale sono tre (ogni valvola contiene due triodi) che permettono di erogare una potenza ad un carico di 8 ohm pari a:
P0 =4.2 W RMS
La formula che mette in relazione la tensione in uscita con gli altri parametri in gioco è la seguente:
E la potenza al carico:
Dove:
PC = potenza la carico
VM = massima tensione permessa al carico
VCC = tensione di alimentazione (in questo progetto è pari a 250V circa)
PD = somma della massima potenza dissipabile del tubo “top” ed il tubo “bottom”
(per le 6080, 13W + 13W =26W)
n = numero delle coppie (tubo “top” con tubo “bottom”) dei dispositivi usati (in questo progetto 3)
RL = carico (in questo progetto 8 ohm)
Sostituendo i valori numerici nella [13] si ottiene una tensione al carico pari a:
Corrispondente ad una potenza di:
Ovviamente abbassando la tensione VCC la potenza al carico può aumentare notevolmente, purtroppo la scelta del valore di tensione di alimentazione non è arbitrario ma è strettamente legato al circuito nella sua interezza e non solo ad un singolo dispositivo; nel caso specifico di questo progetto la VCC non può scendere sotto certi limiti perché un bjt dello splitter entra in saturazione causando clipping alla semionda positiva. Si vedrà in particolare questo fenomeno più avanti e nella fase di esposizione di un esempio di progetto.
SPLITTER E FINALI
Nella figura 4 è riportato il solo circuito dello splitter con le finali.
Fig 4
Tutte le tensioni e le correnti sono state misurate senza il segnale audio, tutte le resistenze senza indicazione di potenza sono da ¼ W.
La particolarità di questo circuito è il controllo automatico di bias grazie al quale c’è un solo potenziometro per regolare la corrente a riposo dei tubi, inoltre se per qualsiasi motivo la tensione presente nel punto A (che deve essere sempre metà di quella di alimentazione) dovesse variare, il differenziale (splitter) automaticamente la riporta al valore iniziale prestabilito dal partitore composto da R11 ed R3 (punto B).
Il differenziale esegue questa operazione confrontando la tensione presente sul punto B (la caduta su R6 è trascurabile) con quella presente sul punto A (la caduta su R8 è trascurabile), la tensione differenza risultante (punto C) amplificata va ad alimentare le griglie del gruppo tubi “top” e ne modifica la loro conduzione per tenere la tensione al punto A costante.
In continua la retroazione è del 100% mentre per il segnale è determinata dalla coppia R8, R9 (il condensatore è un corto circuito fino a 1Hz ) ed in questo progetto è pari a 1/10.
Il valore che assume la tensione al punto C è pari a:
Dove:
VC = tensione al punto C
VA = tensione al punto A
VE = tensione al punto E
Con questo valore di tensione le valvole risultano avere la stessa polarizzazione, se ruotiamo il trimmer del bias, magari perché vogliamo passare dalla classe AB alla classe A, lo splitter si autoregola per forzare le polarizzazioni del gruppo dei tubi “top” e “bottom”ad essere uguali.
Precedentemente si è scritto che la tensione di alimentazione non può scendere sotto un certo valore perché lo splitter va in saturazione, la spiegazione è la seguente.
Se colleghiamo entrambi le basi del differenziale al centro del partitore B le tensioni sui collettori di Q1 e di Q2 assumono lo stesso valore (in questo progetto pari a circa -9V), ovvero il differenziale risulta bilanciato. Nel momento in cui si collega il punto C alla griglia del gruppo delle valvole superiori lo splitter aumenta la tensione presente sul punto suddetto da zero al valore VC (rispettando la [17]), mentre diminuisce della stessa quantità la tensione presente sul punto D che scende a valori negativi.
Ora su queste tensioni continue si appoggia il segnale d’amplificare, quindi l’escursione massima ammessa sul punto C sarà circa:
semionda positiva = 130 – 56.5 = 55.5V (transistor in saturazione)
semionda negativa = 56.5 – 260 = - 203V (transistor in interdizione)
Mentre sul punto D sarà circa:
semionda positiva = 130 - (- 74.3) = 204.3 (transistor in saturazione)
semionda negativa = - 260 – 74.3 = - 185.7 (transistor in interdizione)
Ovviamente per semplificare si sono considerati i bjt come interruttori, o tutti aperti o tutti chiusi.
Si nota subito che il limite al massimo livello di segnale che può attraversale l’amplificatore è imposto dalla tensione nel punto A e quindi indirettamente dalla saturazione del bjt Q2 (la semionda positiva sul punto C non può salire più di 55.5V) , più la tensione al punto A è alta e quindi maggiore è la tensione VCC di alimentazione, maggiore sarà l’escursione del segnale ammessa.
Alla fine di questa pagina si esporrà un esempio di progetto dove verranno ulteriormente chiariti i concetti su esposti.
ALIMENTAZIONE
Per il livellamento della tensione di alimentazione ho usato due mosfet, uno per ramo. Non occorre che usiate per forza quelli che ho utilizzato io ma va bene un tipo qualsiasi che disponga delle seguenti caratteristiche:
VDSS >= 500V
ID >= 2 A
Il dissipatore necessario per M1 deve presentare una resistenza termica di almeno 1.1 °C/W, mentre per M2 non occorre alcun dissipatore.
Fig 5
ESEMPIO DI PROGETTO
Data la quantità di variabili in gioco occorre procedere per tentativi iniziando a scegliere uno dei parametri più pressanti per la determinazione della massima potenza in uscita, della dissipazione dei dispositivi e del massimo segnale audio transitabile, ovvero la tensione di alimentazione.
Nella figura sottostante sono riportate le curve di placca della 6080.
Fig 6
Con un carico di 24 ohm (8 ohm per 3) alla retta dinamica corrisponde quasi una verticale (approssimazione non pressante ai fini dei calcoli). Scelgo arbitrariamente una tensione placca-catodo di 100V (punto A), ad essa corrisponde una tensione di alimentazione VCC di 200V.
Le valvole possono sopportare tensioni di placca-catodo fino a 250V e quindi non si hanno problemi.
Usando la [13] e la [14] determino la potenza massima che l’amplificatore può erogare al carico.
La corrente di picco al carico è pari a:
Dato che le valvole sono tre in ognuna di esse circolerà una corrente pari ad 1/3 di IM e cioè 0.44 A.
Tornando alla figura 6 notiamo che in ogni valvola si può far circolare una corrente di 0.6 A (non si deve superare la curva corrispondente ai 0V) quindi maggiore dei 0.44 A suddetti, mentre la corrente media è pari a 0.44 / 3.14 = 0.140 A leggermente superiore a quella massima ammessa da ogni tubo che è di 0.125 A; confido nella resistenza delle valvole a brevi impulsi di corrente quando attraversata da un segnale musicale J.
Allora dal punto di vista della corrente, tensione di alimentazione e potenza dissipata nei tubi non si hanno problemi.
Adesso calcoliamo che tensione di picco deve essere presente sulla griglia delle valvole superiori ricordando che il problema del clipping potrebbe esistere in quel punto.
Tramite la [2] calcolo il guadagno del gruppo “top”:
Gm_tot, come precedentemente visto, è il prodotto della trasconduttanza delle singole valvole (7000 uS) per il loro numero.
Adesso dividendo il picco della tensione sul carico VM per questo guadagno si ottiene il valore della tensione che sarà presente sulle griglie (punto C di fig 4).
Dalla figura 6 si nota che per una tensione placca-catodo di 100V il dispositivo entra in interdizione a circa -60V, allora tramite la [17] ci calcoliamo la tensione VC che deve essere presente al punto C per equiparare le polarizzazioni (poi in fase di collaudo si regolerà il trimmer BIAS per aumentare un po’ la corrente affinché i tubi lavorino in classe AB:
Sommando questo valore a quello ricavato dalla [22] ottengo la massima escursione del segnale sul punto C:
Valore che supera di 14V la tensione VA presente al punto A e quindi il segnale in queste condizioni andrebbe sicuramente in clipping alla massima potenza.
Allora si deve aumentare l’alimentazione riapplicando le formule viste in precedenza magari aumentandola per piccoli passi di 20V. Tanta pazienza ma molta soddisfazione nel giungere al risultato desiderato J.
Fabio