PROGETTARE UN AMPLIFICATORE OTL CON 6 VALVOLE PER CANALE.

(prima parte)

Questo lavoro ha richiesto da me molte energie e messo a dura prova la mia pazienza; infatti ho effettuato diversi tentativi per ottenere la massima prestazione dall’ amplificatore sostituendo a rotazione molti dei componenti che lo compongono, inoltre un forte impegno è stato richiesto per ingegnerizzare il cablaggio del prototipo, alloggiato sulla tavoletta di legno, al fine di risparmiare spazio per poterci lavorare senza causare danni a me ed alla elettronica.

In particolare i cavi dei collegamenti tra i diversi dispositivi sono stati molteplici e dato la loro estensione e dimensione ho per diverse volte rischiato di ingarbugliare il tutto.

Comunque grande soddisfazione nel sentirlo funzionare, il risultato è raccolto nei seguenti dati salienti:

POTENZA MASSIMA SU 8 OHM = 22W

BANDA PASSANTE @ -3 dB = 10Hz – 33KHz

SENSIBILITA’ = 2Vpp pari a 0.709Veff

T.H.D. @ 1KHz = 0.1%

A differenza del procedente progetto OTL in questo il segnale audio attraversa solo tubi mentre ai BJT è affidato il solo compito di restituzione della continua, ovvero quello di tenere in qualsiasi condizione lo zero volt al carico controllando il bias delle valvole finali che si preregola una sola volta eliminando così l’impegno di farlo manualmente a tempi regolari scadenzati dall’invecchiamento dei tubi.

Segue una spiegazione del circuito affiancata da dati progettuali.

PROGETTO DELL’OTL

STADIO FINALE. Fig 1.

Fig 1

Ogni valvola che compone lo stato finale non deve superare.

1) La massima tensione anodo-catodo () ammessa (per le 6080WB è pari a 250V).

2) La massima corrente catodica () ammessa (per le 6080WB è pari a 125mA).

3) La massima potenza dissipabile () ammessa (per le 6080WB è pari a 13W).

Dato che non esiste una formula unica che simultaneamente tenga conto di tutti limiti ammessi, occorre partire da uno di essi per poi determinare gli altri, ad esempio dalla massima corrente catodica ammessa ().

Siccome l’amplificatore lavora in classe AB in ogni tubo la corrente del segnale da amplificare ha la forma di semionda ed il suo valore medio non deve superare la corrente  , cioè:

                                                                     [1]

Dove    è la corrente di picco del segnale, quindi:

[2]

Dato che le valvole in parallelo sono 6 il picco della corrente totale è:

                                                          [3]              

Dove n è il numero delle valvole in parallelo. A questa corrente corrisponde una potenza liberata ad un carico di 8 ohm pari a:

                                                    [4]

e una tensione di picco pari a:

                                 [5]

Si deve ora determinare la giusta tensione di alimentazione; più essa è bassa minore è la potenza dissipata dalle finali e quindi maggiore è il rendimento dell’amplificatore, però non può essere troppo bassa da non riuscire a garantire le escursioni delle tensioni e delle correnti richieste dalla   potenza liberata al carico espressa dalla [4].

Per determinare il giusto valore della tensione di alimentazione si analizzi la Fig 2, nella quale sono rappresentate le curve anodiche di una sola valvola.

Fig 2

Lo studio viene portato avanti riferendoci ad una sola valvola facente parte al gruppo superiore dei tubi, cioè quello alimentato dal ramo positivo (+VCC) dell’alimentazione; il risultati ottenuti saranno validi anche per la valvola complementare facente parte al gruppo inferiore, cioè quello alimentato dal ramo negativo (-VCC) dell’alimentazione, le correnti e le tensioni determinate avranno modulo simile ma segno opposto.

Il carico che vede ogni valvola è sei volte RL dato che i tubi sono in parallelo ed ognuno di loro contribuisce ad alimentarlo.

                                                        [6]

Dobbiamo ora costruire sulle caratteristiche anodiche la retta dinamica corrispondente al carico suddetto, per far ciò potremmo arbitrariamente scegliere una variazione di corrente e determinare, tramite la legge di ohm, la relativa  variazione di tensione; per chiarezza grafica comunque conviene scegliere una variazione corrispondente a quella determinata dalla [2] pari cioè a:

[7]

Questa variazione di corrente misurerà il cateto verticale di un piccolo triangolino rappresentato alla sinistra della Fig 2. Si determina ora la corrispondente variazione di tensione:

[8]

Questa variazione di tensione misura l’altro cateto del triangolino.

Adesso facciamo scorrere l’ipotenusa verso destra fino a quando il suo vertice superiore intercetta la curva per VGK = 0V (punto c). Il punto “e”, dove il vertice inferiore dell’ipotenusa intercetta l’asse dell’ascissa, indica  il valore che deve assumere la tensione VAK per il corretto funzionamento dell’amplificatore che è pari a quello dell’alimentazione VCC (il catodo è collegato al carico che si trova a potenziale zero e l’anodo è collegato al ramo positivo dell’alimentazione). Conviene comunque spostare leggermente la retta di carico verso destra per evitare che la curva per VGK = 0V venga interessata dall’escursione del segnale; quando la griglia viene pilotata con tensioni positive inizia ad assorbire corrente e  valvola pilota, che la precede, non è in grado di fornirgliela.

Quindi spostiamo il vertice inferiore dell’ipotenusa dal punto “e” fino al punto”f” al quale ora corrisponde una tensione VAK pari a 100V, cioè quando non c’è segnale audio la tensione VAK si trova a quel potenziale, quando invece viene erogata la massima potenza al carico e  il punto di lavoro, camminando sull’ipotenusa, si sposta da “f” fino a “d”, VAK scende di 18.7V  mentre la tensione ai capi del carico sale della stessa quantità confermando la [5]. Nel contempo la corrente sale ai già visti 0.39 A. Si noti che adesso, anche alla massima escursione del segnale, non viene interessata la curva VGK corrispondente agli zero volt dato che il valore della tensione griglia-catodo non va oltre i -3V circa (valore misurato in laboratorio e poco visibile in Fig 2).

Per determinare il guadagno totale delle finali non conviene usare il procedimento analitico perché  i parametri, come la trasconduttanza e la resistenza interna dei tubi, per così ampie escursioni di segnale non sono costanti e porterebbero ad un risultato molto approssimato, conviene quindi procedere per via grafica.

Si nota in Fig 2 che l’elongazione della tensione VGK va dalla interdizione (-60V) al valore di circa -3V, per cui la variazione VGK è:

                                               [9]

A questa variazione ne corrisponde una di 18.7V sul carico, per cui  il guadagno riferito alla tensione vgk delle finali è:

                                                    [10]

Mentre quello riferito alla tensione tra le griglie e la massa  è:

                                                      [11]

Dove:

                                               [12]

Ricordo che tale guadagno pur essendo stato ricavato analizzando il solo gruppo delle valvole superiori (quelle collegate al ramo +VCC) è praticamente identico a quello del gruppo delle valvole inferiori. (vedere “limpido”).

L’alimentazione dovrà quindi  fornire alle finali una tensione duale di:

                                                                       [13]

Non ci rimane ora che verificare se con questa alimentazione la potenza dissipata da ogni valvola non superi quella ammessa ( = 13W).

La potenza dissipata da ogni tubo è:

                                  [14]

                               [15]

Bene, possiamo essere tranquilli, le nostre finali sono al sicuro, il resoconto è riportato qui sotto:

NOTE FINALI:

Le resistenze da 100 ohm in serie ad ogni griglia servono per scongiurare oscillazioni, la resistenza R27 e i due condensatori C3, C10 servono per portare al circuito RDC la solo componente continua filtrando il segnale audio presente sul carico.

Fissando a scelta valori di R27 nel campo che va da 100ohm a 10Kohm si determina la capacità necessaria per un taglio ad 1 Hz mediante la seguente formula:

                 [16]

Dato che la tensione presente ai capi di questi condensatori può assumere valori sia positivi che negativi occorre usarne due elettrolitici di capacità doppia in controfase e cioè da 318uF, il valore commerciale più vicino è di 330uF. La tensione di lavoro della serie, per sicurezza, è bene sia pari a quella di alimentazione VCC.

STADIO RIPRISTINO CONTINUA (RDC), Fig3.

Fig 3

Un compito dello stadio del ripristino della continua è il tenere a zero volt la tensione continua sul carico evitando che in esso circoli corrente statica tanto deleteria per gli altoparlanti, per svolgere questo compito esso legge continuamente la tensione presente ai capi del carico (punto b) e la confronta con quella di riferimento presente sulla base di Q1. La differenza (tensione errore) sviluppata viene amplificata e usata per polarizzare le griglie del gruppo delle valvole superiori; se per qualsiasi motivo la tensione assume valori diversi da zero, la tensione errore la riporta al valore iniziale variando la polarizzazione dei tubi, in queste condizioni la corrente che attraversa i due gruppi di valvole è  praticamente identica anche se i tubi hanno delle sensibili diversità costruttive.

Tornando alla Fig 2 si nota che la tensione d’interdizione si aggira intorno ai -60V () quindi la tensione necessaria (VG) che deve essere presente sulle griglie del gruppo di valvole inferiore dato che il loro catodo si trova alla tensione –VCC è:

                                                       [17]

Nella fase iniziale di collaudo si regolerà il trimmer U19 per avere la suddetta tensione che nelle fasi successive verrà leggermente diminuita per far circolare una minima corrente atta a cancellare la distorsione d’incrocio facendo passare l’amplificatore dal funzionamento in classe B a quello in classe AB.

Il circuito RDC penserà automaticamente a portare il gruppo dei tubi superiori alla stessa polarizzazione di quello inferiore alimentando le loro griglie alla tensione VG=  = -60V dato che in questo caso il loro catodo si trova allo zero volt.

Decidendo di far scorrere in ogni BJT una corrente di 5mA (più che sufficiente per il carico presentato dalle griglie), si impone sul collettore di Q2 (punto c) una tensione a riposo VC=  ( -60V) da cui si ricava:

                                         [18]

Uso il valore commerciale di 8,2 Kohm. La potenza che devono dissipare queste resistenze è:

                                                                [19]

Dove R=R4=R5=8200 ohm.

Uso il valore commerciale di 0.5W.

Trascurando la piccola tensione base collettore dei due BJT, ai capi di R7 è presente la tensione +VCC e la corrente che l’attraversa è il doppio delle correnti che circolano nei due collettori, da cui:

                                                                              [20]

La potenza che deve dissipare è:

                                                      [21]

Scelgo il valore commerciale di 2W.

Tenendo conto che la tensione VCE è uguale a quella presente sul collettore VC=  ( -60V) dato che quella presente sugli emettitori è circa zero i transistor devono dissipare una potenza di:

                                                               [22]

I BJT debbono possedere le seguenti caratteristiche:

PNP

  tensione massima collettore-emettitore ammessa

 corrente massima di collettore ammessa

 potenza massima dissipabile ammessa

Per concludere informo il lettore che il circuito RDC lavora con una retroazione negativa del 100%.

STADIO PILOTA:

Per lo stato pilota, composto dalle valvole ECC81, occorre spendere qualche parolina in più. Apparentemente il suo compito non è temerario dato che deve pilotare le griglie delle valvole che non assorbono corrente e l’unico carico che i tubi vedono sono le resistenze da 220Kohm  di valore abbastanza alto da non sovraccaricarli, questo è vero fintanto le reattanze capacitive parassite presenti all’ingresso delle finali sono di entità trascurabile; all’aumentare della frequenza esse assumono valori sempre più bassi e aumentano la richiesta di corrente alle valvole pilota fino al punto nel quale esse non riescono più a fornirgliela perché oltre l’interdizione non possono andare. Quando si arriva a questo stato di funzionamento, si instaurano le seguenti degenerazioni:

1) Il segnale risulta distorto. La sinusoide assume sul fianco corrispondente alla interdizione della valvola un andamento rettilineo che approssima quello della carica di un condensatore a corrente costante.

2) La retroazione negativa non ha più effetto per correggere tale distorsione perché alcuni dispositivi presenti nella  catena chiusa sono entrati in interdizione interrompendo la retroazione stessa. 

Nelle pilota la massima escursione di corrente possibile va dal punto di riposo all’interdizione, quindi occorre scegliere una polarizzazione che ci assicuri li funzionamento corretto fino alla desiderata frequenza.

La prima cosa che bisogna conoscere è la capacità che offrono tutti i gruppi di valvole in parallelo partendo da quella di ogni singolo tubo, le capacità delle 6080WB sono le seguenti:

= 8pF capacità tra griglia e catodo

= 11pF capacità tra griglia e l’anodo.

Per il gruppo delle valvole superiori, che sono in connessione ad anodo comune, il valore di capacità totale alle loro griglie è:

                                                        [23]

Dove  è il guadagno determinato dalla [10] ed “n” è il numero delle valvole. Per il gruppo dei tubi inferiori, che sono in configurazione a catodo comune, la capacità totale è invece:

                                                       [24]

Per la determinazione del punto di riposo delle pilota conviene riferirsi alla capacità d’ingresso più alta e cioè a quella del gruppo superiore dei tubi. Applicando la seguente formula si determina il giusto valore di polarizzazione delle valvole:

                                                [25]

Dove:

= tensione tra la griglia e massa già determinata dalla [12]

frequenza oltre la quale la richiesta di corrente supera quella che possono fornire le pilota; l’ho scelta abbastanza alta perché in realtà, a causa dell’appiattimento delle curve anodiche, la distorsione si manifesta, seppur a  piccoli gradi, anche al di sotto di tale frequenza.

L’escursione di tensione massima che debbono fornire i due tubi è la vg = 75.7V conviene che il punto di riposo della tensione anodo-catodo VAK sia intorno ai 100V affinché una escursione di 75.7V non interessi valori VGK troppo vicini all’interdizione.

Dalle caratteristiche anodiche delle ECC81, rappresentate in figura 4, si nota che per avere una tensione anodo-catodo pari a 100V e una corrente anodica di 7mA quella griglia-catodo deve valere circa 0.2V (punto “a”).

Fig 4

La tensione sull’anodo risulta essere:

        [26]

Che può essere approssimata a zero volt. Calcolo ora le due resistenze di carico R28 e R31:

                                 [27]

Approssimo questo valore a quello commerciale di 15Kohm al quale corrisponde una corrente anodica di circa 6.6mA e una tensione griglia-catodo a circa 0.25V (punto “b”)

La potenza che queste resistenze debbono essere in grado di dissipare è (per sicurezza scelgo il valore più alto di corrente anodica pari a 7mA):

                                     [28]

Dove R = R28=R31, scelgo il valore commerciale di 1W.

Il valore che devono assumere le resistenze catodiche R29 e R32 è:

                                           [29]

Ne utilizzo una commerciale di 33 ohm. La potenza che deve dissipare questa resistenza è (per sicurezza scelgo il valore più alto di corrente anodica pari a 7mA):

                                          [30]

Dove , scelgo il valore commerciale di ¼ W.

Costruisco ora la retta di carico. Dato che la resistenza catodica ha un valore trascurabile (33ohm) rispetto a quella anodica (15Kohm) e dato che le resistenze di carico R3 ed R1 da 220kohm sono molto più grandi dei 15Kohm, si può con sicurezza affermare che la retta di carico dinamica coincide con quella statica e la sua inclinazione è data dalla sola resistenza anodica. I due punti per la costruzione sono:

  (per le ordinate)                         [31]

   (per le ascisse)                                  [32]

Analizzando la figura 4 si nota che le possibili escursioni delle tensioni anodiche sono asimmetriche, infatti per valori di VGK dal punto di riposo alla curva dei zero volt si hanno variazioni di tensione anodica di circa 100-89=11V, mentre per valori di VGK dal punto di riposo alla interdizione si hanno variazioni di circa 200 -100 =100V, dato che non è possibile che la VGK superi la curva dei zero volt assumendo valori positivi e facendo assorbire corrente dalla griglia (non ce la farebbe lo splitter ad erogarla) sembrerebbe che le valvole siano destinate a distorcere per ampi valori di VGK generando un  segnale compresso da una parte.

In realtà l’amplificatore, lavorando in classe AB, richiede un segnale di pilotaggio solo positivo che va cioè dal punto di riposo al valore dei fatidici 75,7V (in figura 4 approssimati a 75V), l’altra parte del segnale non ha effetto sulla catena di amplificazione.

Quindi l’escursione utile va dal punto di riposo “b” al punto “d” interessando una escursione VGK di circa 2.8V (02V -3V). Il guadagno delle pilota è:

                                                    [33]

 La potenza che dissipa la valvola è:

                         [34]

Il limite ammesso per la ECC81 è di 2.5W, quindi possiamo stare tranquilli.

Per determinare le capacità C6 e C7, impostando una frequenza di taglio di 1Hz, si applicano le seguenti formule:

                         [35]

Uso valori commerciali di 1uF, è bene che le tensioni di lavoro di questi condensatori siano superiori alla tensione di alimentazione VCC.

Seconda parte

HOME