STABILIZZATORE SERIE A VALVOLE 300V 100mA
Da diverso tempo desideravo progettare un buon stabilizzatore a valvole ma rinviavo sempre l’impegno di farlo perché prediligevo altri progetti che ritenevo più interessanti trascurando l’importanza della sua presenza in un amplificatore a valvole.
Infatti nessuna altra circuitazione addetta a fornire alimentazione esibisce resistenze così basse come quelle che presenta al carico uno stabilizzatore, inoltre avere una ottima stabilità della tensione di uscita per variazioni di quella d’ingresso (in Italia possono essere dello +/- 10%), garantisce lunga vita ai componenti alimentati che non sono sottoposti a variazioni di tensioni improvvise le quali rimangono stabili anche in presenza di istantanee e forti richieste di corrente da parte del carico.
Questo stabilizzatore esibisce un fattore di bontà S pari a 10000 ed una resistenza di uscita di circa 0.3 ohm, non male.
Per una buona comprensione del funzionamento di uno stabilizzatore a valvole consiglio il lettore di dare un’occhiata a:
TEORIA DELLO STABILIZZATORE SERIE A VALVOLE
Il circuito è raffigurato in figura 1.
figura
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Se invece se si desidera conoscere il funzionamento del circuito dal punto di vista quantitativo basta leggere le seguenti poche righe.
Se la tensione d’ingresso Ei aumenta (diminuisce) la tensione E0 di uscita aumenta (diminuisce) facendo diminuire (aumentare) la tensione Vgk di U3 (Vgk3), infatti la resistenza interna dei diodi U4 e D2 è molto più bassa di quella presentata dal partitore R7 ed R5 con il risultato che le variazioni di tensione su R4 sono maggiori di quelle presenti al centro del partitore tanto che quest’ultime si possono ritenere nulle considerando il punto in comune tra le due resistenze a potenziale costante.
Diminuendo (aumentando) la tensione Vgk3, il tubo conduce di più abbassando (aumentando) il potenziale Vp3 sulla sua placca che, essendo costante la tensione del diodo zener D1, fa diminuire (aumentare) la Vgk di U2 (Vgk2) portando quest’ultimo in maggior (minor) conduzione.
Questo fa diminuire (aumentare) la tensione sulla sua placca (Vp2) aumentando (diminuendo) la tensione Vgk di U1 (Vgk1) che per questo conduce di meno (più) e aumenta la tensione tra la sua placca ed il suo catodo (Vpk1)
Questo fa abbassare (aumentare) la tensione E0 in uscita riportandola al valore nominale.
Si tenga presente che per un ottimo stabilizzatore queste variazioni di tensione sono al livello dei millivolt, per cui estremamente ininfluenti su tensioni di uscita dell’ordine dei 300V.
In questo stabilizzatore quando la tensione di ingresso aumenta di 50V la tensione di uscita, per mantenere attiva tutta la controreazione, aumenta solo di 5mV! Per cui la E0 da 300V passa a 300.005 volt. Direi entusiasmante.
DATI PROGETTUALI
Adesso elenco tutti i passi che ho effettuato per realizzare lo stabilizzatore.
In primo luogo ho scelto la massima tensione e corrente rispettivamente fornita ed assorbita dal carico, quindi:
E0 = 300V
Ip = 100mA
poi ho scelto i tubi da usare rimanendo nell’ambito della produzione corrente, la scelta è ricaduta sulla EL34 per il tubo in serie e la ECC83 per il tubo di controllo entrambi di elevata reperibilità sia in rete che nel negozio.
Nel funzionamento normale i tubi debbono lavorare nella zona attiva per tutte le escursioni della tensione in ingresso previste e quelle della corrente assorbita dal carico, occorre quindi stabilire i punti di riposo delle valvole in modo che si rispetti sempre questa condizione; la prima scelta del punto di lavoro va indirizzata alla valvola U1 che produrrà dei valori che serviranno per dimensionare il resto dei componenti.
Bisognerà poi, in fase di verifica, controllare che nelle suddette condizioni tutti i componenti non superino mai le tensioni, le correnti e le potenze ammesse.
Fare riferimento alla figura 2 dove sono rappresentate le curve caratteristiche della valvola El34.
figura 2
La curva rossa è quella che indica il limite della massima dissipazione del tubo, il punto di lavoro non deve mai trovarsi al di sopra di essa.
Si nota subito che per una corrente di 100mA l’escursione della tensione ammessa non può andare sotto gli 80V per non pilotare la valvola con tensioni di griglia positive e quindi uscire dalla zona attiva e non può superare i 280V per non superare la massima dissipazione ammessa. Per sicurezza abbasso il limite massimo di 20V portandolo a 260V.
Decido un punto di lavoro alla tensione media:
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La tensione nominale d’ingresso Ei risulterà quindi:
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Occorre ora controllare se per le variazioni della tensione d’ingresso (+/- 10% per la rete italiana) il punto di riposo rimanga nei limiti prestabiliti.
Per una diminuzione della Ei pari al -10 % e cioè per una diminuzione di 47V, il punto di lavoro si sposterà da 170V a:
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Si nota che non ci sono problemi dato che il punto rimane sempre in zona attiva.
Per un aumento della Ei pari al +10 % e cioè per un aumento di 47V, il punto di lavoro si sposterà da 170V a:
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Anche ora non ci sono problemi dato che esso non supera il limite della potenza ammessa. Per curiosità possiamo ora vedere quali sono le massime escursioni della tensione d’ingresso per le quali la tensione d’uscita rimane ancora stabile.
Per il limite inferiore abbiamo un’escursione della tensione d’ingresso di: tvb papollino
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Per il limite superiore abbiamo un’escursione della tensione d’ingresso di:
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Adesso passiamo al tubo U2, fare riferimento alla figura 3 dove sono rappresentate le curve della ECC83.
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Alla tensione nominale d’ingresso pari a 470 V, la tensione di Vgk di U1 (Vgk1) è circa 9V, per cui sulla placca di U2 deve essere presente una tensione di:
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Scegliendo arbitrariamente la tensione di zener pari a 100V, la tensione placca catodo (Vpk2) della valvola U2 è:
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Scegliendo una corrente di 0.5 mA determino la resistenza R1:
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Che approssimo a 330 Kohm.
Decidendo di far circolare una corrente di 2mA nel diodo zener D1 calcolo la sua resistenza di limitazione R3:
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Sulle curve della figura 3 ho segnato i tre punti corrispondenti alla variazione della tensione d’ingresso Ei del +/- 10%, si nota che nei tre casi il tubo U2 rimane sempre in zona attiva dato le piccole escursioni sia di corrente che di tensione rispetto al valore centrale. Per determinare i punti minimo e massimo seguire le procedure indicate dalle formule 5 e 6.
La potenza dissipata da U2 è irrisoria per il basso valore di corrente scelto e per le relative basse tensioni tra la placca e il catodo.
Passo ora a dimensionare il resto dei componenti che compongono il circuito.
Alla tensione Vp2 della valvola U2 corrisponde una Vgk2 pari a circa - 2V. Quindi sulla placca di U3 deve essere presente una tensione Vp3 pari a:
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Scegliendo di far scorrere nel tubo una Ip3 pari a 0.5 mA la resistenza R6 sarà:
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Che approssimo a 330 Kohm.
Ora bisogna decidere che tensione deve essere presente su R4. In teoria dovrebbe essere scelta abbastanza bassa affinché tra la placca ed il catodo di U3 ci sia una tensione (Vpk3) tale di mantenere il tubo in zona attiva. Per contro valori di tensioni su R4 troppo basse potrebbero non mantenere in conduzione i diodi zener (U4 D2) per la loro tolleranza. Scelgo quindi una tensione di 20V che è un buon compromesso.
La tensione Vpk3 della U3 sarà quindi pari 78V (98V – 20V) e la corrispondente tensione griglia letta sulle curve caratteristiche è Vgk3 = - 0.7V, questi due dati ci serviranno dopo.
Determino la tensione di zener.
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Dato che diodi zener di quella tensione non esistono ne utilizzo due, uno da 200V e uno da 82V.
Determino il valore della resistenza R4 imponendo una corrente di 2 mA per polarizzare i diodi zener (trascuro la corrente circolante sul tubo U3).
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Approssimo il valore a 10 Kohm.
A questo punto non rimane altro che determinare le resistenze R5 ed R7. Dato che la griglia di U3 non assorbe corrente impongo per R7 un valore alto e cioè 1 Mohm poi tramite la seguente formula trovo il valore di R5.
Ep è il valore di tensione che deve assumere il centro della partizione ed è pari alla tensione su R4 meno la Vgk3 in modulo:
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Che approssimo a 68 Kohm.
Spero che il lettore sia rimasto entusiasta del progetto e lo utilizzi per alimentare i suoi amplificatori.
Grazie a tutti per l’attenzione.
Fabio