Marcellino Amplificatore a Valvole

PROGETTO “In Pole Position per la Ferrari”
(Camera commercio di Torino e Unione Industriale di Torino)
Area tematica: Progettazione
Istituto: ITIS “Enzo Ferrari” di Susa (To)
Classe: 5^Elettronica
Amplificatore Valvolare Con Valvole Finali KT 88
Studenti Partecipanti:
•
•
•
•
CONTE Marco
IOVINO Marco
MARCELLINO Marco
VARESE Antonio
Introduzione:
Il nostro progetto consiste nel realizzare un amplificatore valvolare con valvole finali KT 88 capace
di amplificare un segnale audio in ingresso prelevato da qualsiasi fonte (mp3, giradischi, lettore cd)
ed amplificare tale segnale ad una potenza di 80 watt musicali per canale. Il nostro amplificatore
sarà un amplificatore bi-canale.
Abbiamo deciso di realizzare questo progetto per curiosità soprattutto poiché eravamo parecchio
interessati a sentire la differenza tra un amplificatore valvolare ed un amplificatore a transistor.
L'esperienza di costruzione di questo progetto ha confermato che l'elettronica analogica è ancora
molto importante anche se molte persone la considerano obsoleta. Per costruire questo dispositivo
abbiamo incontrato molte difficoltà poiché alcuni componenti elettronici sono stati difficili da
reperire.
In questo progetto ognuno dei 4 studenti aveva dei compiti prestabiliti; uno studente ha realizzato i
circuiti stampati utilizzando il CAE utilizzato a scuola Ivex, uno studente ha effettuato il
montaggio, uno studente ha procurato i componenti elettronici e ha redatto la tesina ed uno studente
ha procurato i materiali meccanici e ha realizzato il mobiletto che contiene il dispositivo.
Pagina 1 di 13.
L'inizio del progetto e le prime basi:
Abbiamo trovato le basi per il nostro progetto su una vecchia rivista di nuova elettronica. Dopo aver
verificato la fattibilità del progetto, sia per la tempistica che per i costi, abbiamo iniziato a
disegnare il circuito stampato, circuito con moltissimi collegamenti e dimensioni meccaniche
ridotte. Il primo circuito stampato è stato completato a fine dicembre ma le dimensioni meccaniche
erano ancora troppo grandi rispetto al contenitore.
Le caratteristiche delle valvole e del loro funzionamento sono state cercate su alcuni vecchi libri di
elettronica.
Schema elettrico
Circuito stampato 1° tentativo (formato A4)
Ricerca dei componenti:
Per nostra fortuna la rivista Nuova elettronica, sulla quale ci siamo basati per il nostro progetto,
forniva un elenco componenti. In principio pensavamo fosse facile reperire tutti i componenti ma
dopo qualche tentativo in alcuni negozi ci siamo dovuti ricredere. Il problema era reperire i
condensatori poiché, per far rendere il nostro amplificatore valvolare come un amplificatore Hi-fi,
servono i precisi valori indicati nello schema. I condensatori hanno sollevato ulteriori problemi per
le caratteristiche richieste, ad esempio i condensatori in poliestere a disco e i condensatori con
valori fuori standard. Il problema più grande lo abbiamo incontrato per il condensatore che viene
utilizzato sia come stabilizzatore che come massa dal valore di 1 mF elettrolitico. In particolare il
problema era la tensione nominale superiore a 475V.
Molti meno problemi abbiamo incontrato nella ricerca e nel reperimento delle valvole per gli stadi
di amplificazione e le valvole finali. Le valvole KT88 sono state comprate in America dove gli
amplificatori audio a valvole riscuotono ancora moltissimo successo mentre invece le valvole ECC
82 sono state comprate in Italia in un negozio specializzato nella vendita di valvole di bassa
potenza.
L’intenzione iniziale era quella di usare delle valvole di potenza della Magnadyne, una famosissima
fabbrica della val di Susa, ormai chiusa, ma che purtroppo sono impossibili da trovare.
Pagina 2 di 13.
Lista Componenti
- Resistenze
Quantità
10
3
3
2
3
3
3
15
3
12
3
3
3
4
3
3
10
8
Valore
1 MΩ
6,8 KΩ
390 Ω
10 KΩ trimmer
68 Ω
47 KΩ
33KΩ
22 KΩ
1 KΩ
100 KΩ
1,5 KΩ
2,7 KΩ
10 KΩ
22 Ω
270 Ω
100 KΩ
10 KΩ
22 KΩ trimmer
Watt da dissipare
½W
½W
1W
/
1W
2W
2W
2W
2W
½W
¼W
¼W
½W
10 W
2W
2W
¼W
/
-Condensatori:
Quantità
4
4
2
2
8
6
2
4
2
2
8
2
120 nF
22 µF
5,6 nF
1 µF
150 nF
22 µ F
1 nF
10 µF
1000 µF
470 µF
100 nF
4,7 µF
Valore e tipo
poliestere
elettrolitico
poliestere
elettrolitico
a disco
elettrolitico
elettrolitico
elettrolitico
polarizzato
elettrolitoco
Voltaggio
250 V
63 V
100 V
63 V
630 V
450 V
63 V
400 V
100 V
100 V
63 V
Pagina 3 di 13.
Altri componenti:
-
1 ponte raddrizzatore 600V 35 A
1 impedenza di filtro modello TA. 30
4 diodi 1N4148
4 zoccoli valvole ECC 82 ( 9 pin)
4 zoccoli valvole KT 88 ( 8 pin)
4 valvole KT 88
4 valvole ECC 82
Un trasformatore d’uscita Mod. TA. 110
Un trasformatore d’alimentazione Mod. TA. 250
Un trasformatore Mod. T010.01
Un interruttore
Un fusibile da 1,6 A
Fine del progetto e ultimi problemi:
Abbiamo ridotto le dimensioni del circuito stampato fino al formato A5.
Dopo aver stampato la basetta ramata è stato individuato un corto circuito dovuto ad un errore nello
schema elettrico. Successivamente abbiamo saputo che i trasformatori ordinati a Dicembre non
sarebbero stati disponibili prima di inizio maggio.
Per concludere abbiamo deciso di inserire il nostro progetto in una scatola di acciaio, per la
resistenza meccanica, con le pareti in plexiglass per poter vedere i circuiti all’interno.
Circuito stampato Finale
(formato A5)
Pagina 4 di 13.
Scheda Tecnica
Le armoniche:
Molti esperti di musica concordano sul fatto che un amplificatore valvolare ha un suono pastoso ed
una corretta ed equilibrata timbrica, caratteristiche che raramente si avvertono in un amplificatore a
transistor, ma pochi conoscono il perché. Le valvole o i finali ad Hexfet, amplificando una
frequenza, generano un’armonica pari mentre un finale a transistor genera solo armoniche dispari.
Per spiegare la differenza tra questi due tipi di armoniche usiamo il disegno della tastiera musicale
qui sotto. Se in questa tastiera premessimo la nota “LA” della 3° ottava, emetteremmo una
frequenza di 110 Hz. Se la frequenza venisse amplificata da un circuito a valvole, otterremmo
un’infinità di frequenze supplementari con armoniche pari, vale a dire: 110 x 2 = 220Hz
220
x 2 = 440Hz 440 x 2 = 880 Hz. Se controlliamo sulla tastiera a quali note corrispondono queste
frequenze, scopriamo che queste equivalgono sempre alla nota “LA” posta sulle ottave superiori.
Al contrario se la frequenza del “LA” della terza ottava (110Hz) venisse amplificata con un circuito
a transistor, otterremmo un’infinità di frequenze supplementari con armoniche dispari, vale a dire:
110 x 3 =330Hz
330 x 3 = 990 Hz
990 x 3 = 2970 Hz.
Controllando nella tastiera a quali note corrispondono queste frequenze, scopriamo che 330 Hz è un
“MI” disaccordato, che 990 Hz è un “SI” disaccordato e che 2970Hz corrisponde ad un “FA #”
disaccordato. La nota “LA” emessa da un amplificatore a valvole, accompagnata da altri “LA” delle
ottave superiori, ci darà un suono piacevolmente caldo, perché completo di tutte le armoniche
superiori del “LA”. Quindi con questi esempi numerici possiamo capire perché il nostro orecchio
avverte la differenza tra un suono valvolare e un suono transistorizzato.
Pagina 5 di 13.
Stadio di alimentazione:
Lo stadio di amplificazione dev'essere progettato con cura perché altrimenti non riusciremmo a
rendere Hi-Fi il nostro amplificatore. Un buon alimentatore deve infatti disporre di una riserva
elevata di energia e per ottenere questa condizione occorre usare molti condensatori elettrolitici di
elevata capacità.
Usando capacità elevate diventa necessario utilizzare un robusto ponte raddrizzatore perché, quando
verrà acceso il nostro amplificatore, questo dovrà essere in grado di fornire la corrente richiesta per
poter caricare i condensatori. Dal secondario ad alta tensione del trasformatore T2 preleveremo una
tensione alternata di 440 V, che applicheremo sull’ingresso del ponte raddrizzatore RS1. All’uscita
di questo ponte otterremo una tensione pulsante, che filtreremo con due condensatori elettrolitici
(C16-C17) da 1 mF posti in serie. Questo è stato obbligatorio poiché, avendo una tensione massima
di lavoro di 400 V, otteniamo una capacità di 500 µF e 800V di lavoro. Le due resistenze R32 e
R33 servono per dimezzare in modo esatto la tensione di filtraggio sui due condensatori e per
poterli scaricare una volta spento l’amplificatore.
Per eliminare il ronzio di alternata, gli avvolgimenti secondari, che forniscono la tensione di
alimentazione per i filamenti delle valvole, devono avere una presa centrale che dovrà essere
collegata sul negativo del condensatore elettrolitico C17.
L’avvolgimento indicato Vfil/A verrà utilizzato per alimentare i filamenti delle sole valvole nel
canale A, mentre quello Vfil/B per alimentare i filamenti delle sole valvole del canale B.
Lo stadio di ingresso e quello pilota del canale A e B devono essere alimentati con 2 tensioni
separate e ben filtrate, che verrà prelevata dalle due impedenze ( Z1/A e Z1/B).
Il trasformatore T3 serve per ottenere la tensione negativa necessaria per polarizzare le valvole
finali V3 e V4.
Pagina 6 di 13.
Le valvole:
Caratteristiche generali delle valvole:
Una valvola è costruttivamente simile alla comunissima lampadina, infatti non è altro che un
involucro di vetro (in alcuni modelli è di metallo o di ceramica) contenente un filamento metallico
nel vuoto il quale viene portato all'incandescenza (tra i 1.000 ed i 3.000 °C) facendolo attraversare
da una corrente elettrica. A differenza della lampadina contiene uno o più elementi metallici (a
forma di griglia o di schermi), collegabili dall'esterno. Il filamento metallico, o meglio un tubicino
metallico che lo avvolge, è chiamato catodo, l'elemento metallico più esterno è chiamato anodo.
Eventuali elementi intermedi sono chiamati griglie di controllo. Il principio di funzionamento della
valvola è quello dell'emissione termoionica: ogni metallo, soprattutto ad alte temperature, emette
elettroni, cariche elettriche elementari di segno negativo. Se il catodo è polarizzato negativamente
rispetto all'anodo, ovvero se il catodo è collegato al polo negativo di una batteria e l'anodo a quello
positivo, si stabilirà un flusso di elettroni, ossia una corrente elettrica, tra catodo e anodo (perché gli
elettroni vengono attratti dall'anodo). Se la polarizzazione è opposta, nessuna corrente elettrica
passerà tra catodo ed anodo, perché l'anodo respingerà gli elettroni. Il risultato è quello di un
dispositivo in grado di far passare la corrente in un solo senso, detto rettificatore oppure diodo. Nei
primi tipi di valvola, il catodo era a riscaldamento diretto, ossia il catodo era costituito dal filamento
stesso. Il sistema venne abbandonato, visti i problemi legati alla necessità di far lavorare i catodi a
tensioni diverse (vedi valvole multiple, doppi triodi, triodi-pentodi). Il compito di scaldare il catodo
è oggi affidato a un filamento simile a quello delle lampadine a bassa tensione, inserito all'interno di
un tubetto in lega di nichel rivestito di elementi che favoriscono l'emissione elettronica (ossidi di
bario e stronzio), che costituisce il catodo. Questa soluzione, detta a riscaldamento indiretto,
consente inoltre di alimentare i filamenti di differenti valvole di una apparecchiatura con una fonte
comune, solitamente un avvolgimento secondario di un trasformatore. Il collegamento tra i
filamenti può essere in serie o in parallelo. Se tra catodo ed anodo viene posta una griglia metallica,
è intuitivo che se questa è polarizzata positivamente rispetto al catodo, e non all'anodo, gli elettroni
emessi dal catodo vi saranno attratti e quindi passeranno attraverso le maglie della griglia per
raggiungere l'anodo. Contrariamente, se la griglia è polarizzata negativamente, questa respingerà gli
elettroni provenienti dal catodo. Pertanto applicando una tensione variabile tra catodo e griglia, si
otterrà un passaggio di corrente tra catodo ed anodo che seguirà, amplificandolo, l'andamento del
segnale alla griglia. L'effetto risultante è quello di un'amplificazione di corrente, tale valvola viene
chiamata triodo. Il triodo e le sue varianti (tetrodo, pentodo, eptodo, ecc. così chiamati all'aumentare
delle griglie di controllo) sono stati i primi dispositivi elettronici fondamentali per l'amplificazione
dei segnali elettrici, agli albori dell'elettronica, compiendo quelle funzioni oggi quasi interamente
realizzate dai transistori.
Pagina 7 di 13.
Valvola ECC82 JJ Electronics (Tesla):
Nel 1994, JJ Electronic ha iniziato con la produzione di tre tipi di valvole, oggi ne offre un
assortimento di oltre 20 tipi. Nel 1999 sono stati aggiunti al programma di fabbricazione i
condensatori e amplificatori a valvole.
In elettronica un tubo a vuoto, in Nord America tubi di elettroni, altrove, soprattutto in Gran
Bretagna, valvola termoionica, ridotto a semplice "tubo" o "valvola" nel linguaggio di tutti i giorni,
è un dispositivo che si basa sul flusso di corrente elettrica attraverso il vuoto. Le valvole possono
essere utilizzate per la rettifica, l'amplificazione, la commutazione, o per procedimenti analoghi o la
creazione di segnali elettrici. Esse contano sull'emissione termoionica di elettroni da un filamento, o
catodo caldo, che poi viaggiano attraverso il vuoto verso l'anodo (comunemente chiamato “piatto”),
che si tiene ad una tensione positiva rispetto al catodo. Gli elettrodi tra il catodo e l'anodo possono
alterare lo stato attuale, dando alla valvola la capacità di amplificatore e interruttore. Le valvole
sono state cruciali per lo sviluppo della tecnologia elettronica, che ha guidato l'espansione e la
commercializzazione di comunicazione radio e di radiodiffusione, televisione, radar, una
riproduzione del suono, grandi reti telefoniche, computer analogico e digitale, e il controllo dei
processi industriali. L'invenzione della valvola triodo e la sua capacità di amplificazione elettronica
ha reso questa tecnologia diffusa e pratica. Nella maggior parte delle applicazioni, le valvole sono
state sostituite da dispositivi a stato solido, come i transistor e altri dispositivi a semiconduttore.
Dispositivi a stato solido durano più a lungo, e sono più piccoli, più efficienti, più affidabili e più
economici delle valvole. Tuttavia, trovano ancora particolari impieghi dove i dispositivi a stato
solido non sono stati sviluppati o non sono pratici. Le valvole sono ancora prodotti per queste
applicazioni ed in sostituzione di quelli utilizzati nelle apparecchiature esistenti, come trasmettitori
radio ad alta potenza.
Caratteristiche ECC 82 (doppio triodo pilota):
Volt placca
250 V
Volt griglia
8-10 V negativi
Corrente placca
10,5 mA
Transconduttanza
2,2 mA/V
Impedenza d’uscita
7,7 KΩ
Fattore amplific.
17
Massima potenza
2,75 W
Valvola ECC 82 JJ Tesla
Pagina 8 di 13.
Valvola KT88 Electro-Harmonix:
Electro-Harmonix è stata fondata da Mike Matthews nel 1968 a New York, USA. Egli era un
tastierista che,con un suo conoscente, Bill Berko, un riparatore di audio che sosteneva di avere il
suo circuito personalizzato per un pedale fuzz, lavorarono alla costruzione del loro nuovo pedale
per una casa appaltante, e ha iniziato a distribuire i pedali sotto un accordo con la chitarra Guild
Company. Il pedale consisteva in un semplice circuito e ha utilizzato solo un transistor (questo
sarebbe poi diventato noto come il Linear Power Booster (LPB-1), un pedale ancora oggi prodotto.
Poco dopo, Matthews fondò l' Electro-Harmonix per la produzione di questo e altri disegni di
pedali. Il primo prodotto Electro-Harmonix era l'asse del pedale fuzz, che è stato anche venduto
sotto il nome di "Foxy Lady" per l'azienda di chitarre Guild. Diversi dispositivi simili seguirono,
come il Booster Treble e Bass Booster. I nuovi dispositivi sono stati estremamente popolari tra i
chitarristi.
Caratteristiche KT88 (pentodo finale di potenza):
Tensione placca
560 V
Volt polarizzazione G1
48-52 V negativi
Corrente placca
190mA a riposo
Corrente placca
290 mA max segnale
Watt max uscita
108 W musicali
Valvole Electro Harmonix (KT88)
Pagina 9 di 13
Prezzo di realizzazione:
I prezzi per realizzare questi progetti sono:
− Componenti (condensatori, resistenze, ponte raddrizzatore)
20 Euro
− doppia impedenza modello TA.30
30 Euro
− 4 valvole KT88
80 Euro
− 4 valvole ECC82
32 euro
− 2 condensatori 1000 µF elettrolitico 400V
46 Euro
− 2 lastre per circuito stampato
10 Euro
− 2 fogli di carta blu per stampato
6 Euro
− 4 zoccoli ECC 82
4 Euro
− 4 Zoccoli KT88
6 Euro
− 2 trasformatori di push-pull
99 Euro
− Un trasformatore d’alimentazione Mod. TA. 250
60 Euro
− Un trasformatore Mod. T010.01
150 Euro
Facendo tutti i conti per la spera di qualche componente che si è guastato la spesa complessiva per il
nostro progetto è di circa 400 Euro.
Suddivisione lavori nel gruppo:
per completare il progetto il più velocemente possibile all'interno dei gruppi ci siamo divisi i lavori.
Lo studente Marcellino si è occupato della realizzazione degli stampati, dell'assemblamento del
circuito di amplificazione senza le valvole e alla stesura definitiva della relazione. Lo studente
Iovino si è occupato dell'assemblamento del pezzo comprendente le valvole che per ragioni di
spazio sono inserite su una piastra millefori staccata dal circuito stampato. Lo Studente Conte si è
occupato della ricerca di informazioni sulle valvole impiegate nel nostro progetto ed alla stesura
della prima parte della relazione riguardante le caratteristiche delle valvole. Lo studente Varese si è
occupato del dimensionamento e della procura dei materiali per costruire la scatola una volta trovati
tutti si è dedicato alla realizzazione della presentazione su Power Point.
Pagina 10 di 13
Programma CAE utilizzati:
Per la realizzazione del circuito stampato è stato utilizzato il programma IVEX che ci è stato fornito
dalla scuola. questo programma ci permette di disegnare su un foglio digitale i nostri componenti
visti dall'alto ( per scegliere opportunamente la loro dimensione) e di disegnare le piste di rame che
collegheranno i nostri componenti. Per verificare se tutti i collegamenti erano corretti abbiamo
disegnato lo schema sul programma Schematics poiché disegnando prima su di esso è possibile
verificare se tutti i collegamenti erano corretti una volta che passavamo su Ivex.
Infatti Ivex fornisce una funzione di controllo ( tramite gli “elastici”) che fa si che uno persona
sappia sempre se ha dimenticato un collegamento o se dei determinate piste si incrocino sullo
stampato.
Pagina 11 di 13
Tempi di realizzazione
Prima Fase del progetto:
La prima parte del progetto è stata iniziata agli inizi di dicembre con l'acquisto dei componenti
facilmente reperibili e successivamente con la prima stesura del circuito stampato
Seconda fase del progetto:
La seconda parte del progetto comprende il mese di Gennaio dove sono state scritte le prime parti di
tesina ed il circuito stampato è stato rimpicciolito.
Terza fase del progetto:
Durante febbraio abbiamo avuto poco tempo disponibile perché 2 componenti del gruppo sono stati
impegnati a diversi concorsi sportivi che li ha tenuti lontani dal progetto parecchio tempo ma nel
mentre gli altri 2 hanno iniziato ad impaginare la relazione di power point.
Quarta fase del progetto:
durante il mese di marzo sono iniziati i primi problemi poiché dopo la stesura del primo stampato su
rame abbiamo trovato dei corti circuiti dove non ci dovevano essere e quindi abbiamo perso
parecchio tempo aspettando risposte dalla rivista nuova elettronica. Nel mentre le nostre valvole KT
88 erano partite dall'America.
Quinta fase del progetto:
Durante il mese di Aprile abbiamo iniziato saldare i primi componenti sulla piastra di rame e
verificare che tutto funzioni purtroppo abbiamo perso un pò di tempo a causa della gita e delle
uscite didattiche in alcune aziende del territorio. La parte di verifica dei componenti che ha portato
parecchio ritardo è anche portato dal fatto che non avevamo i laboratori di elettronica e tdp a
disposizione.
Sesta parte del progetto:
Durante il mese di maggio abbiamo ultimato i collegamenti sulla basetta ma purtroppo non
possiamo terminarli per l’assenza dei trasformatori di alimentazione e d’uscita di ogni canale
Conclusioni:
Questa esperienza per noi è stata parecchio piacevole anche se in alcuni momenti è stata
notevolmente complicata. Per realizzare il dispositivo finale c’è voluto molto tempo anche perché
abbiamo dovuto correggere alcuni errori e reperire alcuni componenti difficili da trovare in Italia. In
allegato c’è il circuito stampato a grandezza naturale per far capire l’effettiva dimensione di uno dei
due stadi d’amplificazione.
Pagina 12 di 13
Valvole dello stadio di amplificazione
Pagina 13 di 13
Circuito stampato finale:
Allegato 1 di 2.
Schema elettrico singolo canale:
Allegato 2 di 2.