Autocostruzione

 

Trasformatori d'uscita 2° parte di Ari

 

 

 Di cosa si tratta

Ari ci  fa capire qualcosa di più sui trasformatori

L'importanza di iscrivervi alla newsletter

Chi lo ha scritto

Ari  a2belectronic@wanadoo.fr

Mia presentazione

Interessanti e utili per chi vuole capirci qualcosa di più sull'elettronica .. anzi direi impagabili !!!  Grazie Ari

 

La prima parte

 

DCMB E TRASFORMATORI DI USCITA AUTOCOMPENSATI.

Parte Seconda.                                                         15 Genn.06

 

La prima parte ha trattato rapidamente il sistema DCMB ( Direct current modulated bias) che non è altro che un accorgimento per evitare di collegare lo stadio pilota a quello di potenza attraverso un condensatore che, anche se di buona qualità, non puo’ essere imparziale con le alte e le basse frequenze del segnale, data la sua non-linearità.

Maggiori dettagli saranno esposti alla fine di questo articolo (più precisamente nella quarta parte), ma, nel frattempo, se qualcuno volesse documentarsi più ampiamente, puo’ farlo ricorrendo ad una ricerca internet, con la parole “Polisois” , “Plitron”, “Valve magazine” e “Audiodesignguide.com”. Troverà anche delle descrizioni sulla rivista Costruire HI FI  nel n°48, nella serie 67-68-69 ( La pagella del Suono) e nei numeri 50 e 55.

In poche parole, il segnale è prelevato dalla resistenza di carico della valvola pilota, collegandola direttamente alla griglia ed al catodo della valvola di potenza. A causa di questo collegamento, non si potrà utilizzare  l’alimentazione delle valvole finali, ma ce ne vorrà una dedicata esclusivamente allo stadio pilota.

Una rapida occhiata alla figura n°1 vi chiarirà il concetto.

 

fig-1

I vantaggi sono numerosi e verranno elencati a suo tempo. La semplicità del circuito single ended è spinta al massimo e la riproduzione del suono ne trae sollievo, dato che si evitano dei percorsi tortuosi e pericolosi per la qualità.

Sono sicuro che coloro che hanno avuto modo di ascoltare un amplificatore di questo tipo sono pronti a confermarlo.

Tuttavia, se ci si limitasse al solo circuito DCMB, sarebbe come possedere una Ferrari e guidarla a 30 km/ora.

Per sfruttare tutte le possibilità della suddeta circuitazione ( velocità, dinamica, chiarezza) è indispensabile equipaggiare l’amplificatore con un trasformatore di uscita single ended autocompensato (1).

Su questo punto ho avuto numerosissime esperienze riguardanti autocostruttori che, sedotti dalle argomentazioni che evidenziavano i pregi del DCMB, si sono decisi a costruire l’amplificatore, dotandolo pero’ di trasformatori di uscita di varia provenienza. A causa della qualità scadente di molti di essi, il risultato finale non impressiona (2).

Vi consiglio quindi caldamente di non lesinare sulla qualità del trasformatore di uscita. Da notare che la differenza è reale, contrariamente a quella di altri componenti del tipo passivo, le cui doti sono spesso decantate ma mai dimostrate. Se, per motivi di disponibilità, non siete in grado di permettervi il lusso di un trasformatore di ottima qualità, o se preferite rinviare l’acquisto a data successiva, provate comunque a costruire l’amplificatore con il circuito DCMB, che non sarà certamente inferiore, come prestazioni, a nessun altro tipo ricorrente.

 

Un’opera d’arte perfetta non puo’ definirsi tale se non è perfetta in tutti i suoi aspetti.

Tornando al TU autocompensato ( SC-OPT ) le sue caratteristiche saranno ampiamente descritte nei capitoli successivi. La sua superiorità dipende dal fatto che il nucleo viene quasi completamente liberato dal peso della magnetizzazione causata dalla corrente anodica, per cui  esso si adatta, istantaneamente ed automaticamente, a qualunque livello della stessa. I trasformatori tradizionali, invece, devono sacrificare stabilmente almeno la metà del nucleo per questa necessità improduttiva e parassita e quanto resta ( solitamente un 50% scarso) viene messo a disposizione della corrente alternata i cui picchi spesso raggiungono ed oltrepassano la linea di demarcazione tra suono accettabile e suono distorto.(3)

Limitiamoci per ora a precisare che detta superiorità si evidenzia soprattutto quando si desidera ottenere una potenza discretamente elevata da una topologia single ended.

Perchè ? 

Facciamo un passo indietro, per dedicare qualche riga alla disputa: circuito “push-pull” verso “single ended o asimmetrico”(vedi figura n°2). Possiamo dividere, tanto per iniziare, gli audiofili in tre categorie:-

 

fig 2

 

a) quelli che trovano soddisfacente il suono di un amplificatore “push-pull”

b) quelli che preferiscono il suono dettagliato degli amplificatori single ended.

c) quelli che non hanno preferenze ( tutto fa brodo ...)

Trascuriamo questo ultimo caso e constatiamo che le motivazioni della categoria a) sono, quasi sempre, la maggiore potenza che si puo’ ottenere con due valvole contrapposte ( tira e molla), ossia in topologia P-P, in quanto i 30 - 40 ed anche 100 Watts si possono ottenere quasi senza sforzo, con una paio di valvole di media Potenza ( dalla dissipazione a riposo tra 30 e 50 Watts). Il rapporto di efficienza, paragonato a quello del single ended, supera 2 a 1.

Nella scala delle priorità dei Push-pull-fans, la fedeltà di riproduzione viene dopo la potenza, che si esprime generalmente con la robustezza dei bassi. Indubbiamente, questa caratteristica procura un ben definito senso di soddisfazione. Ma vedremo più avanti che il Single ended puo’ redimersi da questa carenza.

Le principali differenze circuitali.

Come si sa, il circuito P-P richiede un invertitore di fase, poichè, quando una valvola è pilotata da un segnale positivo, l’altra deve essere pilotata da un segnale negativo, della stessa ampiezza e tempestività, intendendo con quest’ultima espressione che il segnale deve essere istantaneamente opposto a 180° di differenza. Inoltre, la corrente anodica delle valvole finali contrapposte dei due rami, deve essere sempre uguale, per cui si devere ricorrere al laborioso ( e costoso) processo di selezione di valvole appaiate, oltre che l’inserimento di regolazioni nel circuito.

E’ sufficiente il buon senso per capire che, da un lato, il circuito si complica, si allarga e costa di più e che, dall’altro, solo la perfezione spinta potrà soddisfare le suddette esigenze.

La domanda è : quanti sono in grado di assicurarla e di mantenerla nel tempo ? ( ricordiamoci che le condizioni di lavoro si modificano con l’invecchiamento dei componenti, valvole in testa, e, anche se con meno incidenza, di ambiente ( temperatura).

Esaminando attentamente la situazione, si deduce che non si tratta di una questione di precisione nella costruzione, bensi di un’esigenza di controlli periodici frequenti.

Cosa succede se le condizioni richieste non si verificano ?

1) molto frequentemente, tra una semionda e l’altra vi potrà essere una differenza quantitativa, in termini di escursione o di fase. Osservate le figure n° 3 e 4, che rappresentano il caso più banale di una forma d’onda sinusoïdale ( mentre in pratica il segnale è più intricato) ma cio’ che peggiora la situazione è che, tra le due semionde si potrebbe creare, in determinate condizioni, un “salto” o “scalino” , se queste non combaciano perfettamente ( Fig. n°4).

 

fig. 3-4

 

Conseguenze? Non si puo’ impunemente alterare la struttura di un segnale musicale senza allontanarne il suono da quello originale. Magari non si riesce a capire cosa ci sia che non va, ma, a meno di chiudere un occhio ( in questo caso un orecchio), si dovrà addivenire ad un compromesso qualitativo che si riassume con la frase « non c’è male, puo’ andare ». 

Il problema di base è di non alterare la timbrica ( ossia la particolare ed unica personalità di una voce o di uno strumento musicale), che possiamo individuare, visivamente, nel complesso involucro (envelope) che comprende tutte le variazioni del segnale, istante dopo istante. Come nel caso di una lente di ingrandimento di qualità mediocre ( ad esempio, in plastica), «  l’immagine » del suono puo’ risultare deformata ed opaca, se l’amplificatore non rispetta le proporzioni.

E sopratutto, non illudetevi che il senso dell’udito sia meno preciso ed esigente di quello della vista.

Percio’, date queste premesse, sarebbe un « wishfull thinking » ( all’incirca un pensiero speranzoso) aspettarsi ad una prestazione impeccabile con un push-pull non monitorato e regolato ad  intervalli relativamente brevi.

Prendiamo invece il single ended. Abbiamo una valvola ( o più, in parallelo), che richiede un solo segnale di pilotaggio (gli stadi precedenti a quello finale sono tenuti a rispettare l’originale ma senza l’obbligo di costruirne un secondo identico ma rovesciato), un trasformatore che raccoglie l’escursione delle alte tensioni modulate dalla valvola di potenza e le trasforma in bassa tensione ad alta corrente, per gli altoparlanti. Nè invertitore, nè la proccupazione di pareggiare la fase e l’ampiezza del segnale di pilotaggio, nè la verifica e la regolazione delle correnti anodiche statiche. Sono già parecchie preoccupazioni in meno !

Il senso di obliettività ci impone tuttavia di precisare che anche il single ended richiede delle attenzioni   

Uno dei doveri iniziali è di  fissare la corrente a riposo della valvola finale su un punto della curva di amplificazione che sia abbastanza centrale (vedi figura n°5), in modo da consentire un’escursione piuttosto ampia, senza che vi sia sconfinamento, da un lato, nella zona che produce una corrente di griglia e, dall’altro, in quella dove aumenta il rischio che si crei della distorsione.

 

fig.5

 

Nella suddetta figura ho segnato un punto di polarizzazione che appare idoneo, nel caso di tensione anodica applicata alla valvola ( misurata a riposo, tra anodo e catodo), di 250 V.  Si puo’ facilmente notare che, spostando in sù o in giù questo punto, per avere la stessa escursione di pilotaggio, si avrebbe troppa o poca corrente anodica, sconfinando nella zona interdetta per eccesso di potenza dissipata, nel primo caso, mentre si avrebbe poca corrente nel secondo caso.

Altro inconveniente della valvola che lavora in modo asimmetrico è l’effetto della corrente statica, nel circuito magnetico del trasformatore di uscita. Per la legge di Ampere, detta corrente produce un campo magnetico pari al prodotto I x N , dove I indica la corrente ed N il numero delle spire dell’avvolgimento percorso dalla stessa.

Ogni circuito magnetico ( lamierini ad EI, UI, C o toroidali, circuiti in materiale amorfo) ha un limite di tolleranza di magnetizzazione, proporzionale alle sue grandezze fisiche ( sezione, lunghezza, peso, tipo di materiale ). Cio’ che viene definita la saturazione esprime un confine, oltre il quale, il comportamento del nucleo ferroso decade e non funziona più a dovere. Se questo avviene, l’avvolgimento perde la sua caratteristica di induttanza e conta soprattutto la sua resistenza ohmica.

Non è certo quello che ci vuole come carico di una valvola finale. Il trasformatore è indispensabile per la sua capacità di rappresentare un collettore di impulsi. Il primario deve avere una reattanza adeguata, per far fronte alle tensioni alternate elevate generate dalla valvola di potenza e, nel contempo, una resistenza ohmica più bassa possibile, per non privare la valvola della necessaria alimentazione, assorbendo una parte della tensione continua, nonchè del segnale alternativo, senza restituirla verso il secondario.

L’occupazione di buona fetta della capacità magnetica del nucleo da parte della componente in corrente continua ( corrente anodica statica ) costringe, come accennato, a spartire la capacità magnetica del trasformatore in due quantità, una per la suddetta componente, l’altra per il lavoro delle correnti alternate.

Abbiamo visto che, nel circuito push-pull, ci si preoccupa giustamente di mantenere possibilmente identica la corrente anodica di ciascun ramo, scegliendo delle valvole gemellate, nonchè prevedendo delle regolazioni adeguate.  Va chiarito che una differenza tra le correnti anodiche, nel caso del push pull, ha degli effetti negativi pronunciati, mentre il SE si adatta a tale situazione, dato che abbiamo una sola valvola o gruppo di valvole in parallelo, che agiscono senza l’obbligo di allinearsi ad un altro gruppo di valvole contrapposte, come nel caso del push pull.

Non so se ho reso l’idea delle difficoltà latenti o potenziali della configurazione pushpull.

Per quanto riguarda invece il Single ended, che è al centro delle considerazioni di questo articolo, proviamo ad elencarne solo gli svantaggi, assieme alle soluzioni proposte e le loro eventuali controindicazioni.

 

Primo svantaggio : l’importanza critica del punto di lavoro.

Soluzione : attenersi alle indicazioni dei costruttori delle valvole o ricercare con prove e misure il miglior compromesso.

Controindicazioni : nessuna in particolare.

Secondo svantaggio : la potenza .

Soluzione : utilizzare delle valvole più potenti o mettere un certo numero in parallelo.

Controindicazioni : 1) necessità di appaiarle ; tuttavia non è indispensabile una grande precisione.

 2) La corrente anodica, per potenze effettive superiori a 25W, aumenta considerevolmente e diventa molto difficile il reperimento o la costruzione di trasformatori di uscita adatti.

Terzo svantaggio : reperimento di trasformatori di uscita che assicurino un’alta qualità di riproduzione.

Soluzione : il trasformaore di uscita autocompensato SC-OPT che verrà descritto nella parte che segue, oppure, in alternativa, altre marche di TU per single ended tradizionali, purchè di ottima qualità.

Controindicazioni : un prezzo superiore ai TU per push-pull, a parità di potenza. Cio’ è dovuto alla

costruzione più complessa, nonchè al numero di pezzi inferiore che viene prodotto attualmente.

 

Il trasformatore di uscita Polisois-SC-OPT.

 

L’esposto che segue vi permetterà di fare conoscenza con questo nuovo tipo di trasformatore, che ha ottenuto tre brevetti di invenzione, del quale riferiro’ non solo i pregi, ma anche i limiti.

Pregi

Risolve totalmente la questione delle correnti anodiche elevate e, di conseguenza, conferma la validità della scelta di valvole potenti, ad alta dissipazione anodica ( 30 – 60 – 120 W ed oltre), come pure l’abbinamento a mosfets e transistors.

Una regola pratica stabilisce che la potenza media che si puo’ ottenere da una circuitazione single ended è di circa un quarto del valore della dissipazione della valvola finale.

Ad esempio, una 6C33C-B, che dissipa staticamente 60W, puo’ fornire 15-16 Watts di potenza, intendendo non le solite, gonfiate, potenze « musicali » , bensi 11 Volts rms su un carico di 8 ohms e cio’ con un tasso di distorsione contenuto.

Una valvola tipo 211 o 845 ( 120 W di Pa ) ne puo’ fornire 30, due valvole il doppio, ecc.

Se l’autocostruttore non ha come scopo finale la frantumazione di tutti i vetri del locale, tali potenze dovrebbero ampiamente bastare.

Difetti

Non è adatto alle valvole meno potenti ( dalla 300B in giù ), perchè il suo funzionamento richiede la presenza di un avvolgimento terziario, il cui compito principale è di cancellare la magnetizzazione dovuta alla corrente continua statica. Tale presenza antagonista al primario ha anche come effetto, purtroppo, di ridurne l’induttanza.

Per un buon trasferimento della potenza sonora dalla valvola al trasformatore di uscita, il prodotto

 

          Induttanza del primario  x  frequenza più bassa che si vuole riprodurre   x  2 p 

deve essere superiore ( almeno il doppio )  dell’impedenza del primario del TU, la quale, a sua volta, deve avere circa 3 volte il valore della resistenza interna della valvola.

Facendo i conti, vi accorgerete che non sono molte le valvole che soddisfano queste condizioni.

Quindi, tutto sommato, la sopravvivenza dei trasformatori single ended tradizionali, a traferro, viene preservata, mentre abbiamo un nuovo prodotto che si addice perfettamente alle valvole a bassa resistenza interna, finora scartate in molte occasioni, a causa della mancanza di TU adeguati.

Riprendendo la formula, possiamo semplificarla nel modo seguente :-

Induttanza minima del primario Lp >= Ri / fb    dove Ri è la resistenza interna della valvola ed fb la frequenza più bassa che si vuole ottenere ( a –3dB ). (4)

Pertanto, se prendiamo una valvola che abbia una resistenza interna di 280 ohms e vogliamo

ottenere dei bassi anche a 25 Hz,   Lp deve essere uguale o superiore a  280 / 25 = 11,2 Hy.

Se invece il trasformatore di uscita è destinato al « Duplex » , un amplificatore che verrà descritto nella quarta parte di questo esposto ( con due 6C33C-B in parallelo la resistenza interna risultante è di circa 50 ohms), andrà bene un’induttanza primaria da    50 / 25 = 2 Henry in su.

Detto questo, se volete, potrete tentare la costruzione di un SC-OPT, da soli o con l’aiuto di un vostro bobinatore di fiducia.  Seguite le indicazioni.

La costruzione del T.U.  Polisois-SC-OPT.

In questo trasformatore abbiamo :

a)      Il nucleo magnetico principale

b)      La bobina che comprende il primario+secondario

c)      La bobina del terziario

d)      Il nucleo magnetico ausiliario.

Il nucleo magnetico principale.

Conviene particolarmente il nucleo a due tronchi aventi la stessa sezione ( tipo C oppure UI ) .

Per il calcolo della potenza che detto nucleo puo’ gestire nella configurazione che sto descrivendo, e senza sobbarcarci in formule complicate, dato che il presente esposto non ha nessuna pretesa di essere di qualità accademica, vi indico alcuni sistemi pratici :-

a)      il peso = circa 7 watts a 25 Hz, per chilo di ferro.

b)      La sezione = circa 2 watts a 25 Hz, per cm²

Si tratta, naturalmente, di approssimazioni orientative, da usare nel caso non abbiate indicazioni più precise del fornitore.

Se la frequenza più bassa che volete ottenere è inferiore o superiore ai citati 25 Hz, fate la proporzione ( esempio : a 50 Hz abbiamo 14 Watts per kg ed a 15 Hz solo 4,2 W/kg. ).

Precauzioni : l’induttanza che si ottiene dipende molto dall’accuratezza con la quale viene assemblato il nucleo magnetico. Nel caso di circuito a “C” , le superfici delle due sezioni che vengono in contatto debbono essere pulite e lucide. Ma badate bene a non usare lima o carta vetrata per rimuovere eventuali impurezze od ossidazioni !  Usate dell’acetone o, al massimo, della paglia di ferro finissima.  Nel caso di lamierini UI , assicuratevi che siano puliti alle estremità ed assemblateli incrociati, per poi fissarli mediamente serrati dai riquadri ed infine martellateli senza danneggiarli e stringete bene i supporti che li serrano.  Chiaro ? Spero.

A lavoro ultimato potete verniciare il nucleo per evitare che vibri sotto l’influenza della magnetizzazione. Devo avvisarvi pero’ che alcuni non approvano la resinatura che imprigiona il circuito magnetico, sostenendo che esso deve invece poter “spaziare”.

Altri accorgimenti li scoprirete con l’esperienza.

Nella prossima pubblicazione verranno fornite le nozioni necessarie al completamento della costruzione del T.U.

© Ari Polisois – Genn.2006

 (1) Infatti, questo nuovo strumento consente una dinamica eccezionale, una sensibilità ai minimi segnali ed una limpidità difficilmente raggiunta dalla maggior parte dei TU in commercio, anche di marche note.

(2) Nel senso che, pur essendo buono, non ha niente di eccezionale che colpisca a prima vista ( o a primo ascolto).

(3) Ho cercato di semplificare cause ed effetti, per non sconfinare dalla teoria di concetti che riguardano l’oggetto del presente articolo.

(4) 2*p*fb*Lp => 2*Zp           Zp = 3*Ri             6,28*fb*Lp => 6*Ri

      Lp => ( 6*Ri ) / ( 6,28*fb )                                  Approssimando   Lp => ( Ri / fb ).

 Fine della seconda parte

 

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