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Mauro Patrignani I Tubi termoionici e l’amplificazione del Suono

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Teoria del suono [fai da te]

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Mauro Patrignani

I Tubi termoionici e l’amplificazione del Suono

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Cronologia degli eventi più significativi

Joseph Wilson Swan Lampada di Swan

1883 Thomas A. Edison inventa la lampada ad incandecsenza (In realtà su questo c’è qualche dubbio perchè pare che abbia solo migliorato l’invenzione di Joseph Wilson Swan un inventore britannico che depositò il brevetto della lampadina con filamento in carbonio un anno prima di Edison e la sperimentò pubblicamente 10 anni prima!!).

Joseph John Thomson

1896 Joseph John Thomson fisico confermò che si può far scorrere corrente tra due elettrodi posti a distanza nel vuoto (o nei gas) quando uno dei due viene riscaldato, un suo allievo diede a questo fenomeno il nome di “emissione termoionica”

John Ambrose Fleming Diodo di Fleming Schema applicativo del diodo

Ed ecco che nello stesso periodo un consulente scientifico della Marconi Wireless (già ex consulente della Edison) dal nome di John Ambrose Fleming ricercò sollecitato da Marconi un dispositivo più affidabile del coherer, per la ricezione delle onde radio. Nasce così nel 1904 un dispositivo consistente in una lampadina con una piastrina aggiuntiva. Se alla lampada veniva data tensione, il suo filamento si riscaldava fino all’incandescenza ed emetteva elettroni catturati dalla piastrina metallica a cui era data carica positiva da una seconda batteria. Questo valvola chiamato “tubo di Fleming” posto in un circuito radio ricevente riusciva a rettificare il segnale ricevuto e a renderlo disponibile per far funzionare l’elemento attuatore di un ricevitore telegrafico. Nasce quindi il primo diodo.

1907 Lee de Forest scopre che, interponendo un filo tra il filamento e la placca, era possibile controllare la corrente che passa fra gli elettrodi (anodo e catodo), e brevettò il suo audion (triodo) che fu usato come rivelatore e oscillatore negli apparati radio dell’epoca.

Thomas Edison

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1917 Con l’entrata in guerra degli Stati Uniti vengono prodotte la 201 e VT1 della Western Electric la VT11 della General Electric

1920 In U.S.A. vengono prodotte le UV200 UV201 della RCA , le prime non per uso militare (Filamento 5V 1A)

UV200 RCA UV201 RCA Confezioni valvole RCA

1923 Appare il primo tetrodo della Philips 1923 Primi esemplari di valvole con filamento in tungsteno toriato UV199 UV201-A General Electric (tensione di filamento 3V, 0,25A)

GE UV201-A con zoccolo della UV-199 (esemplare sperimentale del 1920 mai prodotta)

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1926 L’olandese Tellegen inventa nei laboratori Philips in Olanda il primo pentodo

Pentodo B443 Philips

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Cenni sul Funzionamento delle ValvolePrima parte – emissione elettronica

La Struttura della MateriaLa materia che ci circonda è composta da Atomi i quali a loro volta sono composti da Neutroni, Protoni ed Elettroni. Neutroni e Protoni compongono il nucleo mentre gli Elettroni girano attorno al nucleo.

Rappresentazione di un atomo

I protoni hanno carica positiva, i neutroni neutra e gli elettroni negativa.In natura esistono 92 tipi diversi di atomi (ho scritto “in natura” perché altri possono essere “fabbricati” dall’uomo, vedi elementi transuranici) che aggregati fra loro formano miliardi di diversi tipi di molecole e costituiscono tutta la materia esistente.L’atomo è elettricamente neutro, quindi è chiaro che la carica positiva dei protoni e quella negativa degli elettroni si bilanciano, quindi elettroni e protoni sono in numero uguale. Gli atomi sono caratterizzati da un numero atomico che e’ la quantizzazione del numero di protoni presenti in ogni atomo e da un peso atomico che è la somma dei neutroni e dei protoni presenti nel nucleo atomico.Tuttavia, vi è la possibilità che un atomo perda o acquisisca un elettrone e in tal caso perde la propria carica neutra e si trasforma in uno ione. Scendendo nel dettaglio, se un atomo perde uno o più elettroni diventa uno ione positivo e in caso opposto negativo.Gli elettroni ruotano attorno al nucleo e sono disposti attorno a quest’ultimo su orbite diverse.Dal punto di vista del comportamento elettrico degli elementi a noi interessa l’orbita più esterna degli elettroni. Nei materiali conduttori gli elettroni dell’orbita più esterna possono fuggire e trasformarsi in elettroni liberi all’interno della materia. In tal caso la sostanza è un conduttore di elettricità in quanto i suoi elettroni liberi sotto l’influenza di un campo elettrico si possono muovere liberamente dando luogo ad una corrente elettrica. Normalmente, da questo punto di vista le sostanze si dividono in tre categorie : Conduttori, semiconduttori ed isolanti. Negli isolanti non vi sono elettroni liberi e quindi, sottoposti ad un campo elettrico non danno luogo a circolazione di corrente elettrica (a meno che il campo elettrico non sia talmente forte da risucchiare lui stesso gli elettroni dagli atomi). I semiconduttori hanno invece un numero limitato di elettroni liberi e, quindi, offrono una apprezzabile resistenza al passaggio di una corrente elettrica.

L’Emissione ElettronicaNormalmente gli elettroni liberi all’interno di un conduttore sono liberi di muoversi all’interno di esso, ma non possono uscire dalla superficie stessa del conduttore in quanto non hanno abbastanza energia.Se noi apportiamo dall’esterno energia gli elettroni acquisiscono abbastanza energia da fuoriuscire dalla superficie del conduttore, e se lo stesso si trova nel vuoto, possono produrvi attorno una nube.E’ da notare che non sottoposti a nessun campo elettrico esterno gli elettroni rimangono in prossimità del catodo in virtù del fatto che questo avendo perso elettroni ha un potenziale positivo rispetto all’elettrone. Gli elettroni emessi creano una carica spaziale negativa attorno al catodo rendendo più difficile la fuoriuscita di altri elettroni che vengono respinti verso il catodo. Per provocare una emissione di elettroni vi sono diversi modi:Riscaldamento (emissione termoionica)Bombardamento con fotoni (fotoemissione)

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Bombardamento con elettroni (emissione secondaria)Campo elettricoL’emissione di elettroni è proporzionale all’energia che si cede.

Riscaldamento:Nel caso delle valvole si usa questo metodo ovvero il riscaldamento del catodo (emissione Termoionica). Il fenomeno della fuoriuscita degli elettroni si autoinibisce in quanto gli elettroni fuoriusciti formano una nube elettronica che essendo appunto costituita da elettroni ha potenziale negativo e, quindi, respinge indietro altri eventuali elettroni che cercassero di fuoriuscire. Quindi il fenomeno si stabilizza.

Bombardamento con fotoni:Sottoponendo alcune sostanze alla luce queste emettono elettroni (era il principio che si sfruttava nei vecchi tubi di ripresa prima dell’avvento dei CCD) in misura proporzionale all’energia della luce (che è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda della stessa). Il principio prende il nome di fotoemissione.

Bombardamento con elettroni:Se una sostanza viene sottoposta al bombardamento di elettroni a sua volta emette elettroni, in proporzione all’energia posseduta dagli elettroni che hanno operato il bombardamento.Questo fenomeno si sfruttava in dispositivi detti moltiplicatori elettronici.

Rappresentazione della densità della nube elettronica attorno al catodo. Per avere una raffigurazione del fenomeno si può pensare all’ebollizione di un liquido.

Campo elettrico:Sottoponendo gli atomi di una sostanza ad un forte campo elettrico di potenziale positivo gli elettroni sono attratti e vengono strap-pati dalla sostanza.

I catodi Si possono innanzitutto suddividere in base al tipo di riscaldamento che può essere diretto o indiretto. Nel primo caso il catodo e il filamento di riscaldamento sono la stessa cosa, quindi il circuito di alimentazione del filamento e il circuito anodico non sono elettricamente isolati. L’inerzia termica è ridotta, la valvola va subito a regime, questa soluzione tuttavia richiede che la corrente che scorre nel filamento onde evitare dei ronzii sia continua. Questa soluzione è la meno usata. Nei catodi a riscaldamento indiretto il filamento è incapsulato in un tubicino, il catodo, elettricamente isolato dallo stesso che si scalda per conduzione. I catodi per assolvere alla loro funzione in modo ottimale devono essere costruiti con materiali in grado di emettere elettroni in abbondanza

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anche ad una temperatura lontana dal loro punto di fusione. Quindi una soluzione è usare un catodo metallico in tungsteno che ha una temperatura di fusione di 3370 °C e fornisce una buona emissione di elettroni ad una temperatura di 2500°C. Tuttavia il consumo di energia per il riscaldamento del filamento è proporzionale alla temperatura dello stesso e più energia spendiamo per riscaldare lo stesso più energia la valvola deve dissipare per una funzione accessoria. Quindi si è fatto ricorso a vari espedienti per abbassare il più possibile la potenza assorbita per il riscaldamento e quindi la temperatura del catodo senza compromettere l’emissione. Quindi sono stati adottati quasi universalmente i catodi rivestiti di ossidi eccezion fatta per le valvole di grandissima potenza. Di norma si usano ossidi di torio, bario o stronzio depositati su un metallo che ha la funzione di supporto. In questi catodi il riscaldamento viene ottenuto con un filamento isolato elettricamente tramite rivestimento ceramico, che riscalda a sua volta il tubetto (normalmente di nichel) che funge da supporto per gli ossidi.

Il limite di tutti i catodi è che non emettono elettroni all’infinito, ma, dopo un certo tempo, variabile in funzione del materiale usato, iniziano a ridurre l’emissione, e in questo caso si è soliti dire che la valvola è esaurita e, quindi, va rimpiazzata con una nuova.

Catodi in Tungsteno e TantalioIl fattore di discriminazione che influenza la scelta di un metallo invece di un altro è il rapporto fra evaporazione del metallo (sottovuoto il metallo sottoposto a forte temperatura tende a sublimare ovvero a passare direttamente dallo stato solido allo stato gassoso) e l’emissione di elettroni. Ovviamente se il metallo evapora, il catodo durerà poco, e in più il metallo evaporato poi si condenserà in altre parti più fredde della valvola dando altri problemi e ostacolando il regolare funzionamento. Sono di norma impiegati tungsteno o tantalio, nella realizzazione di valvole di grande potenza usate per trasmissione. Questi catodi sono costruttivamente un filo di tungsteno avvolto a spirale o a forma di barretta. Questi catodi hanno una durata che normalmente si aggira sulle 1500 – 2000 ore.

Catodi in Tungsteno ToriatoPer aumentare il coefficiente di emissione dei catodi è vantaggioso rivestire il metallo che funge da substrato di una pellicola di un altro metallo con più alto potere di emissione.I catodi in Tungsteno Toriato sono costituiti da un filamento di tungsteno contenente una percentuale del 1-2% di ossido di torio.Una volta costruito il catodo deve essere attivato ovvero viene portato ad una temperatura di 2800°K. In questo modo l’ossido di torio si trasforma in torio metallico. Durante il funzionamento del catodo il torio tende a portarsi sulla superficie del catodo formando uno strato monoatomico. A mano a mano che il torio evapora dalla superficie del catodo viene rimpiazzato dagli atomi di

Catodo a riscaldamento diretto.

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torio contenuti nel catodo stesso. Questi catodi per arrivare a fornire un buon rendimento hanno bisogno di un certo tempo per dare modo al torio di formare lo strato monoatomico.

Catodi rivestiti di Ossidi.Il catodo in questo caso è formato da un supporto metallico sulla cui superficie sono deposti degli ossidi di metalli alcalini. Questi ossidi sono caratterizzati da un alto coefficiente di emissione.Questi catodi si possono differenziare in base alla tecnica usata per depositare lo strato di ossido sulla superficie del substrato che funge da supporto.

Catodo a riscaldamento indiretto ricoperto con ossidi.

Particolare della struttura di un diodo a riscaldamento diretto

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Griglia.Di griglie in una valvola ce ne possono essere diverse, tipicamente una nel caso del triodo, due nel caso del tetrodo e tre nel caso del pentodo. Poi esistono valvole particolari con più di tre griglie (come gli ottodi). La griglia di controllo è posta fra anodo e catodo in prossimità di quest’ultimo ed è l’unica griglia che hanno in comune tutte le valvole amplificatrici. Deve avere le seguenti caratteristiche:1) non facilmente deformabili (deformazioni meccaniche).2) che presentano condizioni sfavorevoli all’insorgere della emissione elettronica (per evitare che emetta elettroni sottoposta al riscaldamento per irraggiamento da parte del catodo). 3) con un basso coefficiente di dilatazione termica.4) Le barrette laterali che sostengono la griglia e il filo che la costituisce al fine di impedire innalzamenti di temperatura dovuti alla prossimità del catodo, devono essere di un materiale buon conduttore di calore.

Normalmente si usano fili di molibdeno rivestiti di zirconio o platino oppure placcati d’oro.

Anodo (o Placca)L’anodo ha il compito di raccogliere gli elettroni emessi dal catodo.L’anodo può avere diverse forme, tuttavia dovendo dissipare gran parte del calore prodotto dalla valvola per irraggiamento (ricordiamo che nel vuoto non vi sono fenomeni di conduzione del calore) deve possedere le seguenti caratteristiche:1) Elevata malleabilità per poter essere stampati e mantenere poi la forma.2) Basso coefficiente di dilatazione termica (per non alterare al geometria in presenza di forte calore).3) Alta temperatura di fusione.

Vengono a questo scopo usati molibdeno, tantalio, ferro nichelato, e nichel. 4) Influenza dei campi elettrici sul moto degli elettroni nel vuotoGli elettroni, una volta emessi dal catodi sono sottoposti a diversi campi elettrici che ne condizionano il comportamento. L’elettrone in virtù della sua carica negativa viene attirato da un polo positivo (anodo) e respinto da un polo negativo (catodo). L’elettrone sottoposto ad un campo elettrico si muove di moto uniformemente accelerato verso l’anodo dove alla fine va a sbattere e tutta l’energia che accumula durante la corsa la ritroviamo all’anodo sotto forma di calore. Se l’elettrone ha sufficiente energia si prospetta l’ipotesi vista in precedenza dell’emissione da parte dell’anodo di elettroni per bombardamento, i quali vengono a loro volta attratti dall’anodo.

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Come è visibile dalla figura un elettrone immerso in un campo elettrico viene attratto dall’elettrodo a potenziale positivo e respinto dall’elettrodo avente potenziale negativo, si muove quindi dal catodo verso l’anodo di moto rettilineo uniformemente acellerato.

Se i campi elettrici sono più di uno l’elettrone è soggetto alla risultante vettoriale del campi elettrici. Dove “e” è l’elettrone, f1 ed f2 sono le forze che agiscono su “e”, direttamente proporzionali ai due campi elettrici e inversamente proporzionali alla distanza fra le placche a cui è applicato il campo elettrico.

Questo tipo di interazione fra campi elettrici è sfruttata nei cinescopi a deflessione elettrica (vedi oscilloscopi) in cui due elettrodi servono per la deflessione orizzontale e due per la deflessione verticale.

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Seconda parte – tipologia delle valvoleLe valvole sono classificate in base al numero di elettrodi contenuti al loro interno. Quindi Diodi (due elettrodi), triodi (tre elettrodi), tetrodi, pentodi. Queste sono le più comuni.

Diodo:E’ la valvola meno complessa, ha solamente due elettrodi, l’anodo e il catodo e viene usata come raddrizzatore negli alimentatori. Infatti gli elettroni possono transitare solo dal catodo (che li emette) all’anodo (o placca) che li riceve e questo succede solo se l’anodo è positivo rispetto al catodo. Viceversa non vi è corrente anodica (Ia).Da notare la non linearità del comportamento del diodo, che si accentua nella parte superiore della curva che assume un andamento orizzontale, ovvero aumentando la tensione la corrente non cresce. Questo fenomeno detto saturazione è da imputare al fatto che tutti gli elettroni emessi vengono catturati dall’anodo. Essendo il numero di elettroni emessi costante, la corrente anodica non

Corrispondenza fra gli elettrodi reali e la simbologia grafica adottata per il diodo.

Funzionamento normale

Invertendo la tensione il diodo non conduceIl diodo è un dispositivo che permette la circolazione dellaì corrente in un solo verso, dal catodo verso l’anodo. Quindi, come evidenziato nella figura sottostante, applicando una tensione alternata all’anodo la corrente circola solo in corrispondenza delle semionde positive.

Se ad un diodo viene applicata una tensione alternata, nel circuito circola una corrente solo in corrispondenza delle semionde che rendono positivo l’anodo rispetto al catodo. Infatti gli elettroni possono andare solo dal catodo, dove vengono emessi, all’anodo che li attira. Quando l’anodo è negativo rispetto al catodo, quest’ultimo continua ad emettere elettroni, ma questi non possono essere attirati dall’anodo, e quindi non vi può essere corrente. Sulla resistenza di carico Rc, quindi circola corrente solo in un verso.Il diodo è impiegato in virtù di questa sua proprietà negli alimentatori come raddrizzatore.

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Nella figura sottostante è invece riportato il circuito usato per rilevare la curva anodica caratteristica del diodo.

può aumentare altre ad un determinato valore detto di saturazione. Per aumentare la corrente di saturazione occorre aumentare il numero di elettroni emessi cosa possibile solo aumentando la tensione di alimentazione del filamento, cosa che alla lunga porta ad un precoce esaurimento della valvola.

Triodo :Il triodo deriva il suo nome dal numero di elettrodi presenti al suo interno (Anodo, catodo, griglia). La griglia è, nei tubi più recenti realizzata con del filo sottile avvolto fra due montanti come si vede nella figura sottostante.Nella figura è mostrato il simbolo circuitale del triodo e il relativo disegno meccanico semplificato. Da notare che il filamento inserito all’interno del catodo è isolato da esso. La griglia è posta in prossimità del catodo e geometricamente molto più vicina al

V = VoltmetromA=MilliamperometroLa tensione della batteria viene parzializzata da un reostato. Normalmente si usa direttamente un alimentatore a tensione variabile, che, tuttavia deve avere una tensione di uscita dell’ordine delle centinaia di Volt.

Si procede in questo modo: si porta, manovrando il reostato la tensione a 0 Volt, poi si incrementa e si rileva la corrente, si incrementa e si rileva la corrente e così via. I risultati vengono riportati in un grafico in cui sulle ascisse si riporta il valore della tensione e sulle ordinate il valore della corrente.

Aumentare la corrente di saturazione aumentando la tensione di filamento porta ad un prematuro esaurimento della valvola

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catodo che all’anodo (per migliorare l’amplificazione del triodo).Il triodo è nato come naturale evoluzione del diodo al quale è stato aggiunto un elettrodo denominato griglia di controllo posto in prossimità del catodo. In definitiva la griglia di controllo ha un potenziale più negativo rispetto al catodo, quindi gli elettroni emessi da quest’ultimo vengono respinti dalla griglia. Aumentando in potenziale negativo della griglia si arriva ad una tensione detta di interdizione per cui non passano più elettroni, quindi il triodo non conduce. Variando il potenziale applicato alla griglia si ottiene una

proporzionale variazione della corrente anodica. La griglia di controllo durante il normale funzionamento non diviene mai positiva rispetto al catodo, e questo evita che vi sia una corrente di griglia, quindi questo elettrodo non è dimensionato per sopportare una eventuale corrente.

Tetrodo:Uno dei problemi principali che ha il triodo è la capacità fra griglia e anodo che determina un accoppiamento del circuito anodico con quello di griglia e che determina all’aumentare della frequenza una retroazione che riduce progressivamente l’amplificazione di suddetta valvola. Un netto miglioramento del problema si ebbe con l’introduzione del tetrodo, tubo a 4 elettrodi nel quale è inserita, in aggiunta a catodo, griglia e anodo, una seconda griglia, denominata griglia schermo. La sua presenza fra griglia controllo e placca viene a costituire uno schermo elettrostatico fra quelli che in genere sono gli elettrodi d’ingresso e d’uscita del triodo, e la sua costruzione è simile a quella dell’altra griglia, salvo avere una maglia un po’ più fitta. Alla griglia schermo viene applicata una tensione positiva normalmente poco più bassa di quella di placca, che contribuisce ad intensificare l’azione di attrazione sugli elettroni emessi dal catodo e regolati dalla griglia controllo; ciò fa sì che essa intercetti un certo numero di elettroni, sottraendoli (nella misura del 10+12%) al flusso che attraversa la valvola proveniente dalla carica spaziale.

Nella foto di lato si può osservare un doppio triodo tipo Ecc81 usato come amplificatore di tensione. Si notano i corpi distinti dei due triodi presenti all’interno della valvole (si notano soprattutto gli anodi di colore grigio in quanto gli altri elettrodi, griglia e catodo sono all’interno dell’anodo) e i relativi supporti di mica che li mantengono solidali con il bulbo. Si notano anche i collegamenti fra i reofori (i piedini della valvola) e gli elettrodi interni alla valvola.

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Circuito atto a rilevare le caratteristiche anodiche di un triodo.

Va=Tensione anodicaVg=Tensione di grigliaIa=Corrente anodica

Questo circuito e similari è stato soppiantato da sistemi di misura più moderni, automatici e dotati di computer che rilevano in automatico tutti i valori significativi.

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La presenza di questa griglia, oltre a ridurre fortemente la reazione negativa interna del tubo, in quanto scherma la griglia principale rispetto alla placca, ne aumenta altrettanto fortemente il fattore di amplificazione, in quanto la tensione di placca ha molto meno effetto sulla corrente di placca, che risulta invece più sensibile al valore della tensione della stessa griglia schermo.

Pentodo:al fine di risolvere il problema dell’emissione secondaria senza ricorrere ad artifizi (come nel tetrodo a fascio) è stato creato il pendodo (che come dice il nome ha cinque elettrodi, anodo, catodo, più tre griglie).

Capacità parassite del triodo Esempio costruttivo di un tetrodo.

Nella figura a sinistra è riportatao un circuito di prova di un tetrodo e la relativa curva rilevata. E’ da notare che la tensione della griglia schermo deve essere positiva rispetto al catodo e leggermete inferiore a quella dell’anodo. Per rilevare la caratteristica anodica di figura la tensione di griglia schermo viene settata ad un valore costante e viene fatta variare solo la tensione anodica. Prendendo in considerazione le caratteristiche rilevate si vede che inizialmente la corrente sale in proporzione alla tensione, poi all’aumentare della tensione anodica vi è un abbassamento della corrente anodica. Questo è dovuto al fatto che gli elettroni accellerati dalla griglia schermo anch’essa positiva arrivano all’anodo con una velocità e, quindi una energia, molto alta e colpendo quest’ultimo riescono ad estrarre altri elettroni ( emissione secondaria), che trovandosi in prossimità un potenziale positivo più alto di quello anodico, quello della griglia schermo, ne vengono attratti,

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quindi la corrente totale diminuisce. Aumentando ulteriormente la tensione dell’anodo quest’ultimo inizia ad avere un potenziale prossimo o maggiore di quello della griglia schermo, quindi riesce a catturare anche gli elettroni che fuoriescono per emissione secondaria e la corrente anodica torna a salire. Questa caratteristica molto particolare fa si che il tetrodo sia, nella sua veste originale, una delle valvole meno usata (purtroppo non ha un comportamento lineare). Per ovviare a questo inconveniente sono stati creati i tetrodi a fascio, sfruttando particolari geometrie nella disposizione degli elettrodi che costringe il flusso di elettroni, nel percorso catodo-placca, in fasci di corrente ad alta densità, riuscendo a sfruttare gli effetti della carica spaziale che viene a formarsi fra griglia schermo e placca, in genere, si tratta di tubi di potenza.

Nella figura a lato è evidenziata l’area in cui la tensione di griglia schermo è molto più alta di quella anodica, quindi la griglia schermo cattura parte degli elettroni emessi per emissione secondaria dall’anodo provocando una diminuzione della corrente anodica.

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Nell’immagine a fianco è riportata la corrispondenza fra la meccanica e il simbolo grafico del pentodo.Come si può notare il pentodo ha una griglia aggiuntiva, detta griglia di soppressione che è elettricamente collegata al catodo. Questa nuova griglia essendo polarizzata allo stesso potenziale del catodo respinge verso l’anodo gli elettroni emessi da quest’ultimo per emissione secondaria.

Di lato è riportato lo schema di principio utilizzato per rilevare le caratteristiche anodiche del pentodo e la relativa caratteristica anodica tipica. Come si può notare il circuito per rilevare le caratteristiche è uguale a quello utilizzato per il tetrodo in quanto la griglia di soppressione è collegata internamente o esternamente (dipende dal tipo di pentodo) al catodo, quindi non necessita di un circuito di polarizzazione esterno.

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Le valvole plurigriglia:

Una volta raggiunta la configurazione del pentodo, l’aggiunta di una o più ulteriori griglie non apporta al tubo alcuna nuova caratteristica per quanto riguarda le sue prestazioni tipiche. Tuttavia, anche se le caratteristiche comportamentali rimangono quelle dei modelli base sin qui descritti, sono state costruite, in alcuni casi con grande diffusione, valvole con un numero di griglie superiore a tre: rispettivamente a 4 griglie (esodi), a 5 griglie (eptodi) ed a 6 griglie (ottodi). Le griglie aggiuntive conservano le caratteristiche ben note, e consentono di ottenere una possibilità di comando multiplo del tubo, (quindi si tratta di griglie di controllo) specialmente per quanto riguarda eptodi ed ottodi, la molteplicità di griglie serve per cumulare nella stessa valvola le funzioni, per esempio, di oscillatore locale e convertitore di frequenza. Il massimo noto di griglie sembra essere relativo all’enneodo, precisamente tubo a 7 griglie, specificamente utilizzato come discriminatore di frequenza o comparatore di fase.

Valvole per impieghi particolari: TUBI A GAS.Esistono svariate tipologie di valvole per impieghi particolari, prenderemo in considerazione solo le più comunemente usare negli amplificatori. Si tratta in ogni caso di valvole rare.

- diodi a scarica luminosaSi tratta di una valvola a catodo freddo (quindi senza filamento di riscaldamento del catodo) usata come stabilizzatore di tensione. La sua atipicità è dovuta alla presenza di gas inerte a bassa pressione all’interno della stessa che le conferisce caratteristiche molti peculiari. La caratteristica anodica di questi diodo è non lineare e presenta un tratto a forte pendenza in corrispondenza dell’innesco della scarica nel gas.

Questa caratteristica viene sfruttata (come si può vedere nella figura) per stabilizzare una tensione ai capi di un carico, come avviene con un diodo Zener. La resistenza in serie al diodo è una resistenza di limitazione della corrente. Un altro possibile impiego di questa valvola è come riferimento di tensione nei stabilizzatori. Il funzionamento nel dettaglio di quasta valvola è il seguente: aumentando la tensione anodica, inizialmente la corrente anodica (Ia) è nulla in quanto il gas presente all’interno della valvola non conduce, poi si arriva alla tensione di ionizzazione del gas, per cui il gas entra bruscamente in conduzione. La resistenza in serie limitala corrente a valori non ditruttivi per la valvola, la tensione ai capi della valvola assume un valore pressochè costante determinato dal tipo di gas, e dal tipo di materiale impiegato per il catodo. Quando la valvola è in conduzione il gas ionizzato produce una luminescenza, da qui il nome della valvola. Queste valvole sono costruite per valori di tensione compresi fra 75 e 150 volt e per valori di corrente da 5 a 40 mA.

- diodi a catodo caldosono impiegati come rettificatori negli alimentatori in virtù della loro bassa tensione Anodo-Catodo in fase di conduzione. Sostanzialmente dal punto di vista concettuale sono uguali ai a scarica luminosa eccetto per il catodo che viene riscaldato.

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Valvole MultipleSi ottengono assemblando all’interno dello stesso bulbo diversi gruppi di elettrodi raggruppati in strutture differenziate. Lo scopo principale è economizzare lo spazio accentrando all’interno dello stesso bulbo più valvole diverse. Apparvero nella seconda metà degli anni 20. In basso, a titolo di esempio, sono raffigurate una pcl82, all’interno del bulbo sono presenti un triodo e un pentodo e una E180CC nella quale sono presenti due triodi.

PCL 82Nella foto a Lati si può notare che nel bulbo sono presenti due corpi distinti, uno per il triodo (il più piccolo) e uno per il pentodo. In basso è riportato lo schema dei pin della valvola. Si può notare il collegamento interno fra griglia di soppressione e catodo e il collegamento in serie dei filamenti.

E180CCSi tratta di un doppio triodo, all’interno sono ben visibili i due anodi, perfettamente uguali. Sotto è riportata la piedinatura della valvola. Pregasi notare la presa intermedia (piedino 9) fra i due filamenti. Ha lo scopo di dare la possibilità di alimentare i filamenti a 6,3 o 12,6 Volt (in serie o parallelo)

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Di seguito sono riportate alcune valvole multiple che possono essere considerate delle vere opere d’arte per complessità e bellezza.Una delle valvole più affascinanti che vedrete mai, la Loewe 3NF incorpora tre triodi, due condensatori e quattro resistori in una singola ampolla. L’inclusione dei componenti passivi ha ridotto il numero dei reofori richiesti a sei, ma per evitare che contaminano il vuoto, ciascuno sono sigillati all’interno di un tubo di vetro. Uno dei motivi per lo sviluppo di questo dispositivo stupefacente era quello che in Germania, c’era una tassa sulle radio riceventi basate sul numero di valvole impiegate nell’insieme, quindi dal 1926, Loewe Radio A.G ha prodotto la valvola 3NF ed anche la 2HF, che contiene all’interno due tetrodi, due resistori e un condensatore, destinato ad uso di amplificatore RF a due stadi. Uno svantaggio evidente di mettere tre valvole in un singol contenitore è che se un filamento si rompe, il dispositivo intero diventa inutile, ma per ovviare a questo svantaggio, Loewe ha offerto un servizio di riparazione per sostituire i filamenti guastati.

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Diseguito sono riportate le pagine del catalogo Loewe dove viene pubblicizzata la 3nf.

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Progetto di un amplificatorePer progettare un amplificatore a valvole si può procedere in due modi:- Progettazione convenzionaleIn questo caso si progetta l’amplificatore in ogni singolo dettaglio e lo si collauda in toto alla fine dell’assemblaggio. E’ meglio avere un software di simulazione di circuiti elettronici per verificare di non aver commesso qualche errore banale.- Progettazione top-downSi progetta e si realizza stadio per stadio, modificando e adattando di volta in volta i valori dei componenti allo scopo di ottimizzarne la resa. Questo metodo si presta in special modo alla progettazione di amplificatori con reazione negativa distribuita (senza anello di reazione globale). In ogni caso le prime duecose che occorre stabilire a priori sono:- Scelta della valvola- Classe di funzionamento- Controreazione

L’amplificatore di tensione posizionato a sinistra è composto da un triodo tipo Ecc82 (si tratta di un doppio triodo di cui usiamo solo una metà), Cg er Cu sono rispettivamente le capacità di disaccoppiamento di ingresso e uscita, Vg è un generatore di tensione continua che polarizza la griglia con una tensione che va da 0V a -30V, Rg è la resitenza di ingresso (quella che vede lo stadio precedente) e Ra è la resistenza di carico del triodo.Di seguito è riportato il grafico delle caratteristiche anodiche di una Ecc82 (datato 20/06/1953 !!!!).In fase di progetto si prcede in questo modo:a) Scegliere la tensione Vcc (300V nel nostro caso)b) Scegliere la resistenza Ra (300/0,025=12KoHm)c) Si traccia la retta di carico controllando che sia sotto la massima potenza che la valvola può sopportare (Wa=2,75W).

Scelta della valvolaI fattori che possono influenzare la scelta di una valvola sono molteplici.Fattori di tipo tecnico:-l’amplificazione che si vuole ottenere possono far preferire un pentodo ad un triodo.-la potenza massima nel caso di un aplificatore finale.-la durata della valvola. Esistono valvole particolari a lunga durata.Fattori di tipo pratico:-il costo. Ovviamente poter acquistare valvole selezionate è un bene, tuttavia tali valvole hanno un costo chè è 10 volte più alto di quelle non selezionate. L’alto costo è determinato dalla selezione che comporta la prova delle valvole ad una ad una previo riscaldamento per verificarne le caratteristiche con notevole dispendio di tempo. Stesso discorso vale per le coppie e i quartetti di valvole per i finali push-pull di potenza. La differenza fra due valvole dello stesso tipo può anche essere molto rilevante per le tolleranze costruttive dei vari elementi che le compongono che nonostante vengano prodotti con tolleranze centesimali non sono mai perfettamente uguali.-l’ingombro nel caso di un apparato portatile o che in ogni caso non debba eccedere nelle dimensioni.-la reperibilità. Alcune valvole sono praticamente introvabili. In pratica questo è uno dei fattori determinanti.

Classe di funzionamentola classe di funzionamento si discrimina in base al tempo di conduzione di un dispositivo non lineare in rapporto alla durata di una onda sinusoidale applicata al suo ingresso. Per permettere una più chiara comprensione a questo punto tratterò il caso reale di un amplificatore di tensione che funziona nelle classi A, AB e B.

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d) A questo punto si sceglie una tensione di polarizzazione della griglia di controllo (nel caso della figura 6Volt) e questa determina la classe di funzionamento, unitamente al valore del segnale in ingresso.e) Si applica sull’ingresso una tensione di 4Vpp (per comodità)La tensione applicata alla griglia di controllo è la somma della componente continua di 6Volt più la componente alternata di 4Vpp, quindi la tensione di griglia va da -2V a -8V.Questo provoca una variazione della corrente anodica e come conseguenza una variazione della caduta di tensione sulla Ra, quindi una variazione di tensione anodica. Per il caso trattato la variazione di tensione anodica è di 43V e viene direttamente portata in uscita disaccoppiandola con il condensatore Cu . L’amplificazione in questo caso è data da Vupp/Vipp quindi (215-172)/4=10,75.Come si può notare nella valvola vircola corrente per tutto il periodo del segnale in ingresso, quindi lavora in classe A. Questo perchè la somma fra la tensione di polarizzazione della griglia e il segnale in ingresso non porta mai la valvola a funzionare in interdizione quindi nella stessa passa corrente per tutto il periodo del segnale in ingresso.Nella figura riportata di seguito invece lo stesso circuito variando la polarizzazione lavora in classe AB ovvero la corrente attraversa la valvola per un tempo inferiore al periodo dell’onda sinusoidale ma superiore al mezzo periodo.

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Nello schema a fianco si vede, in relazione alla ten-sione di ingresso, la tensione di uscita di un amplificatore in classe “A”, “AB”,”B” e “C”.

Nel caso di un preamplificatore è praticamente obbligatorio progettare degli stadi in classe “A”, mentre la classe “AB” viene usata negli amplificatori finali di potenza audio per aumentare il rendimento. Le classi “B” e “C” si usano negli amplificatori RF sempre per motivi legati al rendimento. Esistono poi, e li cito per completezza, amplificatori in clesse “A” fittizzia in quanto hanno la polarizzazione della griglia di controllo che varia, per quello che riguarda la componente continua in funzione dell’ampiezza del segnale in ingresso mantenendo la valvola sempre in conduzione. Questa soluzione peraltro di difficile attuazione presenta dei problemi per quello che riguarda i segnali che presentano picchi e forte dinamica (la polarizzazione non si adatta in tempo reale).

Come si può notare dalla figura la tensione applicata al circuito anodico è in questo caso di 160V, la tensione di interdizione per tale tensione anodica da applicare alla griglia di controllo è -12V e nella massima elongazione la semionda negativa del segnale porta la griglia controllo, che ha una tensione continua di polarizzazione di -10V, a -12,5V tensione per la quale la valvola non conduce.Se la tensione continua di polarizzazione della valvola fosse stata in questo caso -12V la valvola sarebbe stata in conduzione sono in corrispondenza della semionda positiva del segnale e avrebbe lavorato in classe B. Se la tensione di polarizzazione della valvola fosse stata ancora più negativa la conduzione si sarebbe ridotta a meno del 50% del periodo del segnale in ingresso, quindi l’amplificatore avrebbe lavorato in classe C.

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La reazionePer reazione si intende riportare parte del segnale di uscita di un amplificatore in ingresso. Talvolta questo viene fatto stadio per stadio talvolta tramite un anello di reazione globale ovvero dall’ultimo stadio al primo, il caso più frequente è una combinazione dei due. Esistono due tipi di reazione, la positiva quando il segnale di uscita viene riportato in ingresso in fase con il segnale di ingresso e la negativa, quando cioè il segnale viene riportato in ingresso in opposizione di fase (sfasato di 180°). La reazione positiva o rigenerazione, viene usata negli oscillatori, la negativa è universalmente usata negli amplificatori.

Nella figura è riportato un esempio tipico di reazione negativa. Il segnale applicato alla griglia induce una variazione della corrente anodica. Sulla resistenza Rk1 la variazione di corrente induce una caduta di tensione variabile che si somma, essendo la resistenza stessa sia parte del circuito anodico che di quello di griglia, alla tensione del segnale applicato alla griglia. Analizzando il comportamento della corrente anodica vediamo che quando la tensione sulla griglia aumenta, aumenta anche la corrente anodica,

Classico esempio di amplificatore di tensione a Triodo reazionato con resistenza di polarizzazione posta sul catodo. Oltre a polarizzare negativamente la griglia rispetto al catodo determina anche una reazione negativa che può essere variata parzializzando la resistenza Rk.

quindi aumenta la tensione ai capi di R1 che si somma algebricamente con quella di ingresso dando come risultante, essendo sfasate di 180° la differenza delle due. Praticamente al segnale di ingresso si sottrae quello di reazione. Nell’esempio è possibile variare la reazione bypassando parte della resistenza Rk (scomposta in Rk1 ed Rk2 tali che Rk1+Rk2=Rk) con un condensatore Ck2, che funge da bypass per la componente alternata come visibile nel disegno. Il condensatore Ck2 dovrà avere una capacità tale da essere un cortocircuito per la componente variabile della tensione Vrk2 (ai capi di Rk2).

Fig.1 Fig.2

Nella figura in alto è riportato il classico esempio di reazione globale ovvero fra l’uscita e l’ingresso. Come si può facilmente notare la tensione da reazionare viene presa direttamente ai capi della resistenza di carico, ridotta come ampiezza da un partitore resistivo formato dalle resistenze R1, R2, R3 ed Ri (la resistenza di uscita dello stadio precedente, in questo caso visto che lo schema si riferisce ad un finale di potenza, presumibilmente la resistenza di uscita di un preamplificatore). A fianco è riportato il circuito equivalente del circuito di reazione dell’amplificatore . G1 è Vu. Si ottiene applicando i teoremi di Tevenin e Norton. Si tratta di una semplificazione in quanto non si tiene conto dei comportamento nei casi limite, quando le capacità di

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accoppiamento iniziano a far sentire i propri effetti. Lo studio dei casi limite serve per verificare la stabilità dell’amplificfatore, Infatti le capacità introducono degli spostamenti di fase della tensione di reazione a volte tali da mandare in autooscillazione l’amplificatore, ovvero la controreazione si trasforma in reazione positiva. In ogni caso comportamenti anomali si possono rilevare facilmente in fase di prova dei prototipi con un generatore ed un oscilloscopio a doppia traccia.

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Protocollo di verifica degli amplificatori HI-FIPer verificare la qualità di un amplificatore e per avere dei termini di paragone occorre avere dei valori da confrontare aldilà dell’orecchio dell’ascoltatore che rimane pur sempre un mezzo valido in un confronto diretto.Quelle di seguito illustrate sono una serie di prove che danno un quadro completo della qualità dell’amplificatore.

Guadagno di tensione e massima potenza in uscita di un amplificatore.La figura di seguito riportata illustra la disposizione circuitale per eseguire la misura del guadagno di un amplificatore. Come si può notare gli unici strumenti indispensabili sono un generatore di Bassa Frequenza e un Oscilloscopio. Il voltmetro Vi è necessario se non si conosce il valore della tensione di uscita del Generatore B.F. (In alcuni casi lo strumento è già integrato nello stesso, oppure si può usare l’Oscilloscopio spostando il puntale o usando la seconda traccia). Il Voltmetro Vu serve nel caso si voglia avere il valore della tensione di uscita senza dover fare dei calcoli con l’oscilloscopio. Scendendo in dettaglio occorre:a) Generatore di B.F. (da 5Hz a 50KHz)b) 2 Voltmetri RMS (facoltativi)c) Un Oscilloscopio (Basta un 10/20MHz)d) Una resistenza di carico pari al carico che piloterà l’amplificatore.

Come si procede:a) Collegare gli strumentib) Accendere l’amplificatore e lasciarlo scaldare per almeno qualche minutoc) Applicare all’ingresso un segnale di 1KHz partendo da una tensione di 0V e aumentando piano fino a che l’amplificatore non

inizia a distorcere. Riportare la tensione del Gen. B.F. ad un valore per cui l’amplificatore ancora non distorce.d) Misurare con cura la tensione di ingresso e di uscita.A questo punto possiamo determinare il guadagno di tensione:Gv=Vu/Vi doveGv è il guadagno espresso in volte (numero puro perché generato dal rapporto fra due grandezze di misura uguali ) dell’amplificatore Vu è la tensione in uscita espressa in VoltVi è la tensione in ingresso espressa in Volt

Possiamo altresì determinare la massima tensione applicabile all’ingresso (la tensione per cui si ottiene la massima potenza dell’Amplificatore). Per determinare la massima potenza ottenibile in uscita si ricorre alla seguente formula:Pumax=Vumax(Vumax/Rc) dovePumax è la massima potenza in uscita espressa in WattVumax è la massima tensione in uscita in condizione di linearità (precedentemente misurata), espressa in VoltRc è la resistenza di carico espressa in OhmNOTA: La potenza massima Pumax così ottenuta non è la potenza efficace ma di picco. Per ottenere la potenza efficace (RMS) occorre usare Vueff invece di Vumax che si orriene Vumax/radice quedrata di 2, quindi Pueff=Vueff(Vueff/Rc)

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Come è possibile notare il guadagno dell’amplificatore si mantiene lineare fino a che la tensione in ingresso è più bassa della massima tensione applicabile. Ciò è dovuto al fatto che oltre un certo limite la tensione ai capi del primario del trasformatore di uscita (adattatore di impedenza) diventa di valore paragonabile a quella di alimentazione.

Banda passante di un amplificatore.Per rilevare la banda passante la configurazione circuitale e gli strumenti utilizzati sono gli stessi che si sono usati nella prova precedente.

Come si procede:a) Collegare gli strumentib) Accendere l’amplificatore e lasciarlo scaldare per almeno qualche minutoc) Applicare all’ingresso un segnale di ampiezza pari al 50% del massimo segnale applicabile e di frequenza da 5 Hz fino a 30-40

KHz incrementando la frequenza a piccoli passi.d) Riportare su un foglio di carta millimetrata il grafico ponendo sulle ascisse la frequenza e sulle ordinate la tensione di uscita.e) Determinare la tensione massima per frequenze comprese fra 20Hz e 20KHz.f) Tracciare una riga orizzontale che corrisponde ad una tensione pari a Vumax/1.41 (radice quadrata di 2 circa)g) Determinare i punti di contatto fra il grafico della tensione e la linea orizzontale (nella figura f1 e f2) e tracciare nei punti di

intersezione due rette verticali.h) I valori di frequenza compresi fra le due linee verticali corrispondono alla banda passante dell’amplificatore.

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Vumax è la massima tensione in uscita che normalmente corrisponde al centro della banda passante.Vumax/Radice di 2 e la tensione corrispondente alle frequenze limite della banda passantef1 è la frequenza di taglio inferioref2 è la frequenza di taglio superioreDa notare che per le ascisse si e usata una scala logaritmica per avere una rappresentazione più leggibile sulle basse frequenze

Impedenza di uscita di un amplificatoreQuesta misura serve per determinare che tipo di carico si può pilotare con l’amplificatore, e per verificare il corretto adattamento di impedenza.In dettaglio, per avere un buon trasferimento di potenza sul carico occorre che l’impedenza dell’amplificatore e quella del carico siano uguali, in realtà il carico è costituito da una cassa acustica o da un paio di cuffie che non hanno una impedenza costante per tutte le frequenze della banda passante, quindi occorre che l’impedenza di uscita dell’amplificatore sia almeno uguale alla minima impedenza del carico per frequenze comprese fra 20Hz e 20KHz. Di seguito è riportata la disposizione circuitale per relevare la resistenza di uscita di un amplificatore.Come si procede:a) Collegare gli strumentib) Accendere l’amplificatore e lasciarlo scaldare per almeno qualche minutoc) Applicare all’ingresso un segnale di ampiezza pari al 50% del massimo segnale applicabile avente frequenza 1000Hz con

l’interruttore aperto.d) Misurare la tensione con l’interruttore aperto e poi con l’interruttore chiuso controllando sull’oscilloscopio che l’onda si

Vi è la tensione di ingressoRi è la resistenza di ingresso dell’amplificatore G è il generatore equivalente all’amplificatore.Ru è la resistenza di uscita dell’amplificatore Rc è la resistenza variabile di carico che andrà scelta di valore paragonabile alla resistenza che dovrebbe avere l’eventuale carico. Vc è la tensione sulla resistenza Rc Si procede nel seguente modo:a) Si imposta il generatore in modo che produca un segnale sinusoidale della frequenza di 1KHz e di una ampiezza tale per cui

l’amplificatore lavora nella zona lineare.b) Tenendo l’interruttore il serie a Rc aperto si misura la tenzione di uscita dell’amplificatore a vuoto ovvero con Rc=infinito

(Vc1).c) Si chiude l’interruttore in serie a Rc e si misura la tensione di uscita (Vc2).d) A questo punto si può determinare la tensione che cade ai capi di Ru che chiameremo Vru=Vc1-Vc2 e la corrente che passa

nel ramo serie Ru-Rc nel caso dell’interruttore chiuso che chiameremo Irc=Vc2/Rc. A questo punto possiamo determinare la resistenza Ru=(Vc1-Vc2)/Irc

NOTA: Il voltmetro Vc e l’oscilloscopio eseguono la misura della stessa tensione, quindi la misura risulta ridondata, l’oscilloscopio ci permette anche di verificare la forma d’onda che può essere utile per evidenziare malfunzionamenti.

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Misura della distorsionePer effettuare questa misura occorre un distorsimetro oppure un analizzatore di spettro che sono strumenti non di comune utilizzo, tuttavia queste sono misure che allo stato attuale possono essere fatte anche con un oscilloscopio campionatore dotato di opportuno software oppure con un computer dotato di scheda sonora (vedi Sound Blaster) e apposito software di analisi.In ogni caso la disposizione circuitale e quella riportata nella figura sottostante

Il Generatore B.F. deve produrre un segnale sinusoidale a bassa distorsione. Se non è così occorre collegarlo direttamente al distorsimetro e misurare la distorsione dell’onda in uscita per tutte le misure che si vogliono effettuare.Visto e considerato che la distorsione aumenta in funzione della potenza di uscita è opportuno fare delle misure a metà potenza e alla potenza massima.Il modo di operare è il seguente:a) Si imposta il generatore di bassa frequenza su 1KHz e si aumenta la tensione di ingresso dell’amplificatore fino a quando questo

non raggiunge il 50% della potenza nominale poi si rileva il valore della distorsione, quindi si porta l’amplificatore al 100% della potenza massima e si ripete la prova.

b) Si ripetono le due prove anche per frequenze di 20Hz e 20KHz per verificare il comportamento alle frequenze limite della banda audio.

Se si dispone di un analizzatore di spettro audio annotare anche tutti i valori delle singole armoniche prodotte e il loro valore efficace e percentuale.

Misura dello sfasamento1) Misura con oscilloscopio a doppia tracciaIn un amplificatore a causa delle componenti reattive di alcuni dei componenti (condensatori, induttanze, trasformatori) si verificano degli spostamenti di fase fra il segnale in ingresso e quello in uscita che possono, in alcuni casi, mettere in crisi il circuito di controreazione.Il circuito di misura è il seguente:

la misura eseguita con l’oscilloscopio non ha precisione, quindi ha carattere puramente indicativo e di controllo dell’amplificatore. Ha senso effettuare tale misura solo alle frequenze estreme di funzionamento (20Hz-20Khz), tuttavia a scopo di controllo occorre verificare anche dentro l’intervallo di tali frequenze per evidenziere fenomeni di risonanza di componenti reattivi che possono causare localizzate, ma pericolose rotazioni di fase.

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Il modo di operare è il seguente:a) Si imposta il generatore di bassa frequenza su 20Hz e si aumenta la tensione di ingresso dell’amplificatore fino a quando questo

non raggiunge il 50% della potenza nominale poi si rileva il valore dello sfasamento paragonando la cresta d’onda della tensione in ingresso con quella dell’uscita, quindi si porta il generatore a 20KHz e si ripete la prova.

b) Si ripete la prova anche per frequenze comprese fra 20Hz e 20KHz per verificare il comportamento alle frequenze incluse nella banda audio.

Se si dispone di un misuratore di fase ovviamente è molto meglio.Ricordarsi che: l’intera onda è 360° quindi una semionda è 180° e il fronte di salita quindi 90°.Nell’immagine sotto è mostrato il metodo adottato per ottenere una misura indicativa:

Nell’esempio della foto lo sfasamento di Vu rispetto a Vi è in anticipo di un valore indicativo compreso fra 45° e 90°, per ottenere una maggior precisione occorre fare una misura più accurata usando il reticolo dell’oscilloscopio. Il risultato finale sarà comunque approssimato a + o - 10°.Ovviamente essendo una misura eseguita sull’oscilloscopio non sarà precisa ma avrà valore comparativo e indicativo. Per avere dei dati più precisi occorre utilizzare un misuratore di fase.

2) Misura utilizzante il metodo di Lissajous.Questo metodo consiste nell’inviare il segnale di uscita dell’amplificatore all’asse y di un oscilloscopio ed il segnale d’ingresso all’asse x (vedi figura sottostante)Nel circuito impiegato per la misura compaiono:- G.B.F. generatore di bassa frequenza- OscilloscopioPer eseguire la misura occorre inviare ai due assi dell’oscilloscopio segnali di uguale ampiezza, e allo scopo si elimina il segnale dall’asse y si regola l’attenuatore dell’asse x in modo da avere un segmento orizzontale di n divisioni poi si fa lo stesso con l’asse

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y escudendo l’asse x.

Tipica immagine ottenuta sull’oscilloscopio con il metodo di Lissajous. Una volta rilevati i valori di B ed A si può risalire all’angolo di sfasamento ricorrendo alla seguente formula;sen(angolo)=B/A.Dal seno dell’angolo si può facilmente con qualsiasi calcolatrice scentifica risalire all’angolo di sfasamento. Anche questa misura di fase è affetta da un certo errore dovuto alla imprecisione della lettura dei valori dall’oscilloscopio.

3) Misura diretta dello sfasamento.E’ possibile misurare lo sfasamento direttamente con un apposito strumento detto fasometro che ha una precisone che si spinge ai decimi di grado, quindi molto alta. E’ uno strumento dedicato.

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Misura dell’impedenza di ingresso di un amplificatore.Nella maggior parte dei casi l’impedenza di ingresso di un amplificatore a valvole è molto alta ed è dovuta alla resistenza posta all’ingresso fra griglia e massa. Quindi questa misura risulta inutile. Nel caso di un amplificatore con uno stadio di ingresso più complesso in ogni caso si può misurare usando la disposizione circuitale della figura in basso.Il modo di operare è il seguente:a) Collegare gli strumentib) Accendere l’amplificatore e lasciarlo scaldare per almeno qualche minutoc) Applicare all’ingresso un segnale di ampiezza pari al 50% del massimo segnale applicabile avente frequenza 1000Hz avendo

l’accortezza di mantenere S1 chiuso, quindi con tutta la tensione di ingresso .d) Misurare la tensione con l’interruttore aperto e poi con l’interruttore chiuso controllando sull’oscilloscopio che l’onda si

mantenga sinusoidale.

V1=tensione con l’interruttore chiusoV2=tensione con l’interruttore apertoVrs=V1-V2Irs=Vrs/RsRi=V2/IrsCome si vede è un metodo estremamente semplice, e si parte dal presupposto che la resistenza interna del generatore di segnale sia trascurabile rispetto alle altre due.

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Misura della Diafonia.Per diafonia si intende l’influenza che uno dei due canali stereofonici può avere sull’altro, cioè la separazione tra i due canali. Si misura in dB e rappresenta il rapporto tra un segnale presente su un canale e la quantità del medesimo segnale che viene a trovarsi sull’altro. Minore sarà la diafonia maggiore sarà la separazione tra i due canali. Ovviamente questa misura si esegue solo su amplificatori stereofonici. Una misura correlata è la misura della resistenza serie dell’alimentazione che è una delle principali cause della diafonia, modulando l’alimentazione del secondo amplificatore in base all’assorbimento del primo e viceversa. Una soluzione che risolve in parte il problema consiste nell’adottare due alimentatori e telai separati per gli amplificatori evitando così anche gli accoppiamenti parassiti per prossimità.

Come si procede:a) Collegare gli strumentib) Accendere l’amplificatore e lasciarlo scaldare per almeno qualche minutoc) Applicare all’ingresso un segnale di ampiezza pari al 50% del massimo segnale applicabile avente frequenza 1000Hz con

l’interruttore aperto.d) Misurare la tensione con l’interruttore di uscita prima di un canale poi dell’altro. Applicare la formula.

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Oscilloscopio usato nelle immagini come riferimento. In questa immagine ingrandita si possono notare i commettori BNC del canale destr, sinistro e dell’asse X a cui si fa riferimento in alcune delle misure illustrate precedentemente.

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Un caso reale : amplificatore per cuffia con ECC82Questo progetto originale che una nota rivista ha publicato e propone in kit di montaggio, in questo capitolo viene analizzato, poi attraverso uno studio dei difetti, modificato per eliminarli. In questo caso è stato comperato il kit completo direttamente, il kit è stato montato seguendo tutte le indicazioni, e alla fine è stato collaudato seguendo il protocollo di verifica con strumenti adeguati. Le modifiche, sottoposte al pesante vincolo di un circuito stampato preesistente sono state decise e messe in atto per attenuare alcuni problemi che affliggevano questo progetto. Come si può notare dallo schema elettrico vengono usate quattro valvole identiche, due come pilota e due come finali di potenza. Tenendo conto della scarsa potenza richiesta per pilotare una cuffia questa scelta è pienamente condivisa. Una cosa che normalmente non si usa è invece lo stabilizzatore di tensione per stabilizzare la tensione anodica.

Schema elettrico originale dell’am

plificatore

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A questo punto è opportuno eseguire uno studio per verificare l’esatta progettazione del circuito. Prenderemo in considerazione un solo canale in quanto i due canali sono uguali. Il segnale posto sull’ingresso del canale sinistro viene attenuato dal potenziomentro R1 e poi tramite C1 portato alla griglia del primo triodo amplificatore. La resistenza R2 serve per polarizzare la griglia al potenziale di massa che è negativo rispetto a quello del catodo per la caduta di tensione introdotta dalla resistenza R3. La resitenza R4 è invece la resistenza di carico posta nel circuito anodico del triodo e da cui viene prelevato il segnale in uscita. Da notare l’assenza del condensatore di bypass in parallelo alla resistenza R3 indice di una reazione negativa mirata a limitare il guadagno dello stadio preamplificatore e ad aumentarne la linearità e la banda passante. Il condensatore C3 porta il segnale all’ngresso del secondo triodo preamplificatore la cui griglia è polarizzata con le stesse modalità del primo stadio dalla resistenza R8. Fra il catodo e la massa del secondo diodo sono presenti due resistenze, la tensione di polarizzazione della griglia è dovuta alla resistenza R6 più il parallelo fra R7 ed R11 per quello che riguarda il regime statico. In realtà questo ramo è inutile in quanto dimensionando correttamente le resistenze se ne potevano usare solo due. Il condensatore C4 porta, disaccoppiandolo dalla tensione anodica, il segnale ai due triodi in parallelo che fungono da finale di potenza che hanno come carico il trasformatore adattatore di impedenza che poi pilota il carico (la cuffia). Il secondatio del trasformatore è collegato per attuare una controreazione globale al secondo stadio preamplificatore. I condensatori C5 e C2 servono per stabilizzare la tensione anodica rispettivamente delo stadio di potenza e di quello preamplificatore. La resistenza R9 serve ad abbassare la tensione di pilotaggio dello stadio preamplificatore che è di soli 140V rispetto a quella dello stadio di potenza che è di 170V. A questo punto possiamo passare allo studio della polarizzazione dei singoli stadi.

Sopra è riportata la caratteristica anodica di un triodo ECC82 della RCA. Come si può vedere è stata riportata la retta di carico congiungendo i 140Volt della tensione di alimentazione a 3mA che è la corrente massima che può passare nel circuito. Poi è stata tracciata per interpolazione lineare la caratteristica anodica corrispondente alla polarizzazione della griglia del primo triodo che rilevata strumentalmente è 2,43Volt (i dati sono riportati sullo schema elettrico). La tensione anodica in regime statico è di circa 50V. Facendo un veloce calcolo e facendo variare la tensione di griglia da 2V a 4V la tensione anodiva passa da circa 40V a circa 67V ci si rende conto che con l’inclinazione della retta di carico ottenuta si ha una amplificazione di circa (67-40)/2=13,5. Lo stesso discorso vale per il secondo triodo preamplificatore che differisce dal primo unicamente per la tensione di griglia in regime statico che è di 2,62V e sposta il punto di funzionamento in una zona leggermente diversa della retta di carico. Analizzando lo stadio preamplificatore ci si rende conto che la valvola lavora nella prima parte delle caratteristiche anodiche che non è la più lineare, tale scelta è stata fatta allo scopo di abbassare la tensione di funzionamento delle valvole allo scopo di ridurre la dimensione dei condensatori di stabilizzazione a parità di capacità e quindi il costo del circuito. Per quello che riguarda la fedeltà dell’amplificatore questa non è la scelta migliore. Ora analizziamo lo stadio finale. Il carico dello stadio finale è costituito dal trasformatore, quindi a regime statico la valvola lavora su una resistenza di carico costituita dalla sola componente resistiva del primario del trasformatore che è trascurabile rispetto alla resistenza interna della valvola. In regime dinamico la valvola lavora su una resistenza che è quella del carico moltiplicata per il quadrato del rapporto spire del trasformatore. Noi non conoscendo la resistenza del carico partiamo dal

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presupposto che il progettista abbia fatto un buon lavoro e la resistenza equivalente vista dalla valvola sia pari alla sua resistenza interna che è la condizione per cui si ha il massimo trasferimento di potenza verso il carico. Guardando la figura sotto si nota che prima si traccia una linea verticale in corrispondenza della tensione di 170V, poi in corrispondenza della tensione di griglia di controllo applicata alla valvola (6,78V rilevata strumentalmente) si traccia una linea orrizzontale e si determina la corrente anodica. Poi si traccia una linea congiungente l’asse y e x. Praticamente abbiamo dato per scontato che la resistenza di carico sia uguale alla resistenza interna della valvola e abbiamo determinato la retta di carico. Anche lo stadio finale non lavora nella parte ottimale delle caratteristiche anodiche.

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Prove eseguite su amplificatore per cuffiaBanda passante dell’amplificatoreCome si può notare dai grafici che seguono la banda passante dell’amplificatore è soddisfacente, pur non essendo completamente piatta. Vi e’ la tendenza ad un aumento della tensione di uscita in corrispondenza del limite alto (frequenze comunque oltre i 20KHz) dovuto probabilmente o alla frequenza di risonanza propria del trasformatore di uscita, oppure ad uno sfasamento sul circuito di controreazione.

Come si può notare la banda passante è stata rilevata sia su scale logaritmica che su scala lineare per avere due visuali della stessa cosa. Inoltre sono stati rilevati i dati del canale destro e di quello sinistro che differiscono leggermente probabilmente a causa della tolleranza dei componenti utilizzati.

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Massimo segnale in ingressoIl massimo segnale applicabile in ingresso di questo amplificatore è stato misurato applicando una sinusoide a 1000 Hz sull’ingresso, aumentando il segnale e monitorando il segnale in uscita fino a notare una distorsione di ampiezza dello stesso. Come si può notare dalla figura che segue la distorsione inizialmente non interessa tutte e due le sinusoidi del segnale, ma solo la negativa, chiaro segno che il punto di lavoro di una delle valvole dell’amplificatore, non è stato calcolato esattamente. (con ogni probabilità si tratta della valvola finale in cui la massima elongazione del segnale è sensibilmente più alta che nelle altre)Come si può notare le forme d’onda 3 e 4 ricavate applicando all’ingresso 1.7Vpp sono distorte soprattutto per quanto riguarda la semionda negativa. Spostando il punto di lavoro della valvola che genera la distorsione si può ottenere in uscita una maggior elongazione del segnale senza avere distorsione, quindi ottenere maggior potenza.

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Distorsione dell’amplificatoreOra analizziamo la distorsione generata dall’amplificatore quando viene introdotto all’ingresso un segnale troppo alto, condizione che nella realtà difficilmente si verifica, anche in corrispondenza di picchi del segnale in ingresso. Tuttavia analizzando come l’amplificatore distorce si possono avere delle indicazioni su come migliorarlo.L’unica cosa che si nota è che la distorsione introdotta da questo amplificatore differisce dalla tipica distorsione di un amplificatore a transistor in cui il taglio delle semionde è molto più netto.

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A questo punto andiamo ad analizzare la distorsione armonica totale (THD) che si ottiene con un segnale in ingresso atto ad ottenere la massima potenza in uscita. (1250mVpp)

L’unica armonica significativa è la seconda che tuttavia e’ di ampiezza molto piccola. (non si arriva all’1% totale)

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Comportamenti LimiteA questo punto una volta appurato che l’amplificatore non ha grossi difetti di progettazione andiamo a verificare quali sono i suoi punti deboli.Per fare questo occorre analizzare il comportamento dell’amplificatore ai limiti della banda di utilizzo, ovvero a 20Hz e a 20KHz per vedere se vi sono delle distorsioni di ampiezza o di fase.Come si potrà notare la distorsione varia oltre che in funzione dell’ampiezza del segnale in ingresso anche in funzione della frequenza, quindi provare le caratteristiche di un amplificatore alla frequenza di 1KHz non rappresenta una prova esaustiva per determinarne la qualità.Alle frequenze limite della banda audio intervengono maggiormente le componenti reattive dovute ai condensatori di accoppiamento e al trasformatore di uscita. In dettaglio, i condensatori di accoppiamento a bassa frequenza possono creare un filtro passa-alto, che provoca una degradazione del segnale in uscita, in misura considerevole se si calcola che l’effetto delle varie celle di filtro (una per ogni stadio dell’amplificatore) si somma. Alle alte frequenze le capacità interelettrodiche delle valvole impiegate, unitamente al trasformatore di uscita possono creare dei filtri passa-basso che possono far degradare l’amplificazione. Questi filtri parassiti in corrispondenza della frequenza di taglio provocano uno spostamento di fase del segnale di uscita che, unitamente alla controreazione, può provocare effetti imprevedibili.

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Come si può notare dalla figura precedente a 20Hz l’amplificatore si comporta molto male, l’uscita (traccia 1 e 2) è molto distorta se rapportata al segnale in uscita a 1000Hz (traccia 3 e 4) chiaro sintomo che qualche cosa nell’amplificatore non funziona per il verso giusto. Osservando le prime due curve possiamo escludere che si tratti di un effetto dovuto ai condensatori di accoppiamento, in quanto non vi è un calo della amplificazione ma una distorsione armonica. Quindi il problema è sicuramente nello stadio finale (trasformatore) o nell’anello di controreazione.Questo è quanto emerge dall’analisi del segnale distorto. La THD è superiore al 50% e sono presenti tutti gli ordini di armoniche.

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Distorsione di faseSi manifesta per colpa delle capacità e induttanze presenti nei vari circuiti sia sottoforma di componenti, vedi condensatori di accoppiamento, sia sottoforma di capacità e induttanze parassite.Come si nota dai dati rilevati l’amplificatore ha un buon comportamento alle alte frequenze in quanto manifesta modeste rotazioni di fase, a frequenze basse inzia a dare problemi da 40Hz. In ogni caso la rotazione di fase è accettabile e non da problemi di sorta.

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Modifiche apportateCome è possibile notare dallo schema, sono state apportate modifiche di vario tipo, sono stati modificati i valori dei condensatori C5 e C11, eliminati i condensatori C6 e C12 e, cosa discutibile, ma ottimo espediente da sperimentare, è stata introdotta una controreazione incrociata fra i canali allo scopo di espandere l’immagine stereo (escludibile con un interruttore per i puristi).Entrando nel dettaglio: per ridurre la diafonia e il rumore di alimentazione come prima cosa, compatibilmente con lo spazio disponibile sullo stampato si sono modificati i valori dei condensatori di stabilizzazione C5-C11 portati da 22microF a 100microF,

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e questo aveva già ridotto in modo significativo il rumore e la diafonia, poi si sono tolti i condensatori di disaccoppiamento C6-C12 (avevano lo scopo di bypassare la componente alternata ai capi delle resistenze R12-R24 ai fini di annullare la controreazione introdotta da queste). In questo modo è diminuita l’amplificazione dello stadio finale e con questo anche il rumore di alimentazione introdotto da quest’ultimo. Per avere un risultato ottimale oltre alle modifiche già fatte sarebbe stato opportuno duplicare lo stadio di alimentazione, sarebbe sicuramente aumentata la separazione fra i canali (diafonia) perchè sarebbe diminuata la reiezione di segnale attaverso l’alimentazione. Detto in parole povere ogni canale assorbe corrente dall’alimentatore con un andamento che è funzione della potenza che stà fornendo alla resistenza di carico, questo perturba l’alimentazione dell’altro canale generando il fenomeno della diafonia ovvero diminuisce la separazione fra i canali. In un secondo momento per ridurre ulteriormente il rumore di alimentazione sono stati cambiati i condensatori C2-C8 e portati da 22microF a 100microF. Questi condensatori stabilizzano l’alimentazione ai capi della parte preamplificatrice e più sono grandi meglio è. Per fare un lavoro ancora migliore, questi condensatori andavano “aiutati” con un condensatore di bassa capacità e alta velocità in parallelo, purtruppo questo avrebbe comportato la riprogettazione del circuito stampato, quindi non è stato fatto. Di seguito sono riportate le foto dell’originale e del modificato.

Circuito originale.

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Progetto modificato: si nota l’assenza dei due grossi condensatori C

6 e C12.

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Acronimi adottati:Va=Tensione anodica espressa in Volt, E’ la tensione applicata fra anodo e catodo di una valvola. E’ anche detta tensione di polarizzazione di placca, o più semplicemente tensione di placca.Ia=Corrente anodica, normalmente indicata in mAmpere (millesimi di ampere). E’ la corrente che transita fra anodo e catodo all’interno della valvola e di conseguenza nel circuito anodico all’esterno della valvola. Vg=Tensione di griglia. Normalmente riferita alla griglia di controllo nel caso del triodo.Vg1=Tensione di griglia riferita alla griglia di controllo nel caso di una valvola plurigriglia.Vg2=Tensione di griglia riferita alla griglia schermo nel caso di una valvola plurigriglia.Vg3=Tensione di griglia riferita alla griglia di sopressione nel caso di una valvola plurigriglia.Ripple=tensione di rumore residua all’uscita di un alimentatore avente la stessa frequenza di alimentazione nel caso di alimentatore ad una sola semionda o doppia nel caso di un ponte raddrizzatore.Semionda=una delle due metà positiva o negativa di una onda sinusoidale.

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ComponentiQuando si progetta un amplificatore la corretta scelta dei componenti determina poi la resa finale dello stesso. Non ci dobbiamo dimenticare che anche un solo componente non adatto posto nel punto sbagliato può rendere vano lo sforzo progettuale. Questo capitolo non può essere esaustivo, ci vorrebbero centinaia di pagine per ambire ad una casa del genere ma si vuole introdurre il neofita al mondo dei componenti elettronici tipicamente usati nel mondo degli amplificatori audio a valvole. Qui non troverete la descrizione di un transistor o di un mosfet ma resistori, trimmer e condensatori.

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Condensatori: sono componenti passivi capaci di immagazzinare cariche elettrostatiche. Sono costituiti da due elettrodi collegati ad altrettante armature, piastre conduttrici, separate fra loro da un isolante detto dielettrico e vengono raggruppati per famiglie proprio in base al tipo di dielettrico utilizzato (teflon,polypropylene, polistirene, policarbonato, poliestere, mica, ceramici). Per incrementare la capacità del condensatore si dovrà ridurre lo spessore del dielettrico che separa le armature, ma solo alcuni materiali lo consentono senza rischi di perforazione, in virtù della loro rigidità dielettrica. Per rigidità dielettrica si intende il rapporto fra tensione di rottura del dielettrico e spessore dello stesso. I condensatori insieme alle resistenze sono i componenti più usati nell’elettronica ed hanno subito nel tempo una evoluzione pressochè costante che li ha portati ad essere componenti altamente specializzati, nel senso che ne esistono tipi studiati espressamente per tutti gli impieghi.

Simbolo di un condensatore non polarizzato

Condensatori di vari modelli e dimensioni

Simbolo di un condensatore polarizzato

MaterialeRigidità

dielettrica kV/cm

MaterialeRigidità

dielettrica kV/cm

Aria a 760 mm Hg 30 Resine epossidiche 120-160Acqua distillata 50-100 Resine fenoliche 80-160Bakelite 100-300 Siliconi termoplastici 80-160Carta 50-100 Gomme al silicone 120-280Carta impreg. d’olio 350-400 Polistirene 200-280Gomma 160-500 Polietilene 200-300Mica 400-1800 Nylon 200-350Micanite 200-300 Teflon 160Titanato di Bario 50 Porcellana 120-300Vetro 250-1000 Polietilene 500

Se un materiale contiene molecole polarizzate, generalmente queste sono disposte casualmente, come nel dielettrico in mancanza di campo elettrico. Applicando un campo elettrico il dielettrico si polarizza.

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Definizioni:- Tolleranza = è la massima deviazione dal valore di capacità nominale- Coefficiente di temperatura = è la variazione della capacità in funzione della temperatura ed è espressa in parti-per-milione-per grado centrigrado (ppm/°C).- Tensione di lavoro = è la massima tensione continua o alternata che può essere applicata al condensatore in continuità senza che questo subisca danni.- Tensione di punta = è la massima tensione che non deve mai in nessun caso essere superata.- Corrente di fuga = è la corrente di perdita che passa attraverso il condensatore quando questo viene alimentato e che ne determina la scarica quando il generatore viene staccato. Questo valore si misura in CV dove C è la capacità del condensatore e V è la tensione applicata. Quando il condensatore viene immagazzinato per lunghi periodi (questo vale per gli elettrolitici) al momento in cui viene alimentato questa corrente è relativamente forte poi decresce nel giro di qualche minuto e si stabilizza. Questo fenomeno è dovuto alla “ricostruzione” del dielettrico che dopo lunghi periodi in cui il condensatore non viene alementato si danneggia. Poi appena viene data tensione si ricostruisce.- Angolo di perdita o tangente dell’angolo di perdita= è il rapporto fra la potenza dissipata nel condensatore e la potenza reattiva dello stesso quando viene alimentato in alternata ad una data frequenza.

Combinazioni di condensatori:- Condensatori in parallelo: la capacità equivalente è la somma delle capacità dei singoli condensatori, si usa per ottenere grandi valori di capacità o per avere caratteristiche particolari impiegando condensatori di tipologie diverse, per esempio per migliorare la velocità del condensatore equivalente. In alcuni amplificatori per ottenere questo scopo si collegano in parallelo diverse decine di condensatori di relativamente piccola capacità. Purtroppo la durata di un parallelo di condensatori nel tempo è quella di un condensatore divisa per il munero dei condensatori che compongono il parallelo, quindi se si impiegano molti condensatori è più facile

- Condensatori in serie: la capacità equivalente è data dalla seguente formula.

Si usa principalmente per aumentare la tensione massima applicabile alla capacità equivalente. Per esempio mettendo in serie due condensatori di uguale capacità da 100Volt di tensione massima il risultante avrà come tensione massima 200Volt. Come si intuisce dalla formula la capacità totale è più piccola del più piccolo condensatore impiegato. Nel caso dell’esempio precedente la capacità sarà la metà di quella di un singolo condensatore.

Considerazioni sui componenti reali: il condensatore, come tutti i componenti, nella realtà si comporta in modo leggermente diverso dal componente ideale. Di seguito è riportato lo schema equivalente ad un condensatore reale.

Come si può vedere nel componente reale vi sono una resistenza in serie che è quella dell’armatura e dei reofori del componente che ha un valore il più basso possibile ma comunque non 0. La Ls rappresenta l’induttanza delle armature che per quanto bassa è presente e fa sentire la sua influenza alle alte frequenze. Rl è la resistenza che giustifica la seppur debole corrente che transita attraverso il dielettrico che causa la scarica del condensatore e da origine alla “Capacitor leakage current” (come viene indicata nei manuali in inglese; in italiano “Corrente di Fuga”).

che il tutto vada fuori uso in breve tempo.Cequ=C1+C2+.......Cn

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Condensatori elettroliticiUna famiglia a parte è rappresentata dai condensatori elettrolitici, il cui dielettrico è costituito da una soluzione elettrolitica gelatinosa che se sottoposta a polarizzazione produce uno strato di ossido isolante talmente sottile da consentire valori di capacità molto elevati. Gli elettrolitici sono quindi componenti polarizzati, cioè con un polo positivo e uno negativo, e possono essere usati solo in circuiti dove la componente continua sia di molto superiore a quella alternata in quanto è proprio la tensione a permettere la formazione dello strato dielettrico. Sono praticamente insostituibili nei circuiti di filtraggio degli alimentatori. Quando sono di grossa capacità per le loro caratteristiche costruttive presentano una relativamente alta induttanza parassita serie, quindi è buona norma affiancarli a dei condensatori più piccoli e quindi più veloci (posti in parallelo). Normalmente hanno una tolleranza abbastanza alta e, se sottoposti a forti correnti e temperature (i due parametri sono legati), una vita abbastanza breve.Condensatori elettrolitici in alluminioI condensatori elettrolitici in alluminio uniscono una grande capacità con delle dimensioni estremamenente ridotte ed il costo in rapporto alla capacità è il più basso in assoluto se rapportato agli altri tipi di condensatori. Schematicamente un condensatore elettrolitico in linea di principio è costruito nel seguente modo:

A = ANODE: alluminio al 99.99%O = DIELETTRICO : ossido di alluminioC = ELETTROLITA + cartaK = CATODO Alluminio al 98%L’ANODO (A)L’anodo è compostodi alluminio di purezza estrema e la superficie effettiva viene aumentata fino al 200% rendendo il metallo poroso tramite procedimento elettrochimico.IL DIELETTRICO (O)La parte superficiale dell’anodo (A) è ricoperta da una molto sottile pellicola di ossido di alluminio (isolante O= Al2O3). L’ossido è ottenuto con un processo elettrochimico e lo spessore è funzione del voltaggio applicato (tensione di formazione) 1.2nm/V.ELETTROLITA (C)L’elettrodo negativo è composto da un elettrolita assorbito nella carta che funge da distanziale fra anodo e catodoCATODO (K)Il catodo serve come grande area di contatto verso l’elettrolita.

Condensatori elettrolitici in Tantalio e NiobioIl tantalio viene estratto da una specie di sabbia nera leggermente radioattiva formata dai minerali di colombite e tantalite dalla cui contrazione deriva il nome “coltan”. Si tratta di un metallo raro, molto duro e resistente alla corrosione, usato per la costruzione di turbine aeronautiche e per la fabbricazione di condensatori elettrolitici di piccole dimensioni. Ha un peso simile a quello dell’oro e grossomodo lo stesso valore. Strettamente associato con il niobio (elemento chimico col numero atomico 41 usato sempre più spesso in vece del tantalio nella produzione di condensatori) nei minerali e nelle proprietà, il tantalo è stato scoperto nel 1802 dal chimico svedese Anders Gustaf Ekeberg. Deve il suo nome al personaggio mitologico Tantalo (figlio di Niobe) a causa della iniziale identificazione con il niobio. Fu il chimico tedesco Heinrich Rose a dimostrare nel 1844 le loro diverse caratteristiche. E’ un elemento metallico duttile e malleabile, di simbolo Ta e numero atomico 72, appartenente al gruppo degli elementi di transizione della tavola periodica. Fu ottenuto in forma pura nel 1820, dal chimico svedese Jöns Jakob Berzelius. Il tantalio fonde a circa 2996 °C, bolle a circa 5425 °C, ha densità relativa 16,6 e peso atomico 180,948. È solubile in alcali e nell’acido fluoridrico, ma insolubile in acido solforico, cloridrico e nitrico. Si incendia all’aria e forma il pentossido di tantalio, Ta2O5, una sostanza bianca che reagisce facilmente con ossidi o idrossidi metallici formando composti detti tantaliti. L’acido tantalico, HTaO3, è un precipitato gelatinoso che si ottiene mescolando acqua al pentacloruro.Il tantalio per usi commerciali è preparato per elettrolisi di soluzioni di eptafluorotantalato di potassio (o altri composti di tantalio) e acido solforico diluito. Essendo più resistente del platino a molti agenti corrosivi, il tantalio sostituisce il platino nei pesi standard e negli accessori da laboratorio. I condensatori elettrolitici al tantalio vengono prodotti con pastiglie porose ottenute pressando la polvere di tantalio macinata finemente. Le pastiglie vengono poi sinterizzate per aumentarne la stabilità meccanica e creare una struttura metallica dove lo strato di dielettrico in pentossido di tantalio (Ta205) può crescere per ossidazione anodica.La capacità ottenibile dipende dalla costante dielettrica e dallo spessore dello strato di dielettrico. Finora era stato possibile ottenere valori CV più elevati grazie alla morfologia della polvere e ad un migliore utilizzo della custodia. Attualmente sono disponibili polveri di tantalio fino a 80 kCV /g, utilizzate però in commercio solo in custodie di piccole dimensioni. Il mercato richiede oggi condensatori elettrolitici sempre più piccoli e con valori CV sempre più elevati, ed è necessario orientarsi verso nuovi materiali di base, come il niobio. I primi lavori sul niobio quale materiale per condensatori risalgono al 1962. Nel 1969 iniziarono invece i primi seri sforzi nel tentativo di sostituire il tantalio con il niobio. Nel mondo delle valvole i condensatori in tantalio sono scarsamente usati perchè le dimensioni non sono un fattore essenziale. Sono invece usati in apparati portatili di ridotte dimensioni come telefonini, CD portatili od altro in virtù del fatto che si possono realizzare grandi capacità in dimensioni molto ridotte.

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Induttanze: sono generalmente costituite da un filo di materiale conduttore (tipicamente rame, ma anche argento) avvolto su un supporto ferromagnetico o in aria. Il tipico comportamento dell’induttanza è quello di opporsi ai cambiamenti della corrente che la attraversa generando una forza contro elettromotrice. Viene, per questa caratteristica impiegata nei filtri degli alimentatori in conbinazione con i condensatori per costituire le celle LC di soppressione del ripple di alementazione. Si presentano in varie foggie, il fattore discriminante è appunto l’induttanza espressa in Henri

Induttanze avvolte su nucleo ferromagnetico toroidale di diversi valori

Esempio di filtro di alimentazione realizzato con induttanze e condensatori atto al filtraggio di transienti ad alta frequenza.

Induttanze varie accomunate dal fatto di avere un nucleo ferromagnetico toroidale o composto da due “E” di materiale ferromagnetico.

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In una induttanza si ha una trasformazione da energia elettrica a energia magnetica, praticamente il campo magnetico prodotto dal passaggio della corrente è concentrato nel nucleo magnetico nel caso di una induttanza avvolta su nucleo, mentre per quelle avvolte in aria influenza tutto lo spazio circostante.

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Resistenze o resistori: sono dei componenti passivi che in un piccolo spazio realizzano resistenze di valore prefissato e costante ai loro terminali non tenendo conto delle variazioni termiche che in ogni caso devono essere ridotte.

La resistenza R di un conduttore è data dalla

espressione in cui

è la resistenza espressa in ohm

è la lunghezza del conduttore in metri

è la sezione del conduttore in m2

è la resistività ed è una caratteristica di ciascun materiale costituente il conduttore (espressa in ohm x metro)

Possono essere realizzate nei seguenti modi:

-ad impasto:In questi resistori l’elemento resistivo è costituito da polvere di carbone o grafite e resine sintetiche mescolate con materiali inerti quali il talco, in proporzioni diverse a seconda del valore della resistenza che si vuole realizzare.L’elemento resistivo è costituito da un corpo cilindrico a cui vengono applicati i terminali e che viene ricoperto da una custodia isolante costituita, o da un tubetto di ceramica bloccato agli estremi con cemento anch’esso isolante, o da uno strato di bachelite stampata.

-a film metallico:Il materiale resistivo è un film sottile di metallo, ottenuto per evaporazione di una lega nichel-cromo in un ambiente con vuoto spinto; il grado di vuoto, la temperatura, l’evaporazione e lo spessore del film sono accuratamente controllati.Il film resistivo è depositato su un supporto (substrato) ceramico a forma di cilindro compatto.Nel seguente diagramma si può vedere un substrato ceramico coperto con un film resistivo. Il substrato è bloccato, su ciascun lato, da cappucci metallici. I terminali (filo conduttore) sono saldati sopra i cappucci. La composizione del film resistivo può variare da un tipo di resistore ad un altro ma la seguente descrizione copre la maggior parte delle resistenze a film. Per cambiare il valore del componente, il film resistivo viene tagliato elicoidalmente mettendo a nudo il substrato. La resistenza può essere variata variando il modo in cui l’elemento è tagliato. In basso si può vedere che lasciando un elemento resistivo largo e relativamente corto si ha di conseguenza una resistenza molto bassa. Un’elica più stretta e lunga ha come conseguenza una resistenza più alta.

Ci sono diversi tipi di resistori a film. Le seguenti sono alcune delle loro caratteristiche. Resistenze a film in Carbone: Le Resistenze a film in Carbone sono alcune tra le meno costose e perciò le resistenze più comunemente usate. Possono essere costruite in 2 modi. Il primo è quello descritto sopra. Quando il substrato viene esposto a gas di idrocarbone sotto vuoto (ad alte temperature), un film di carbone viene depositato sul substrato ceramico . Il film viene quindi tagliato per produrre il valore desiderato di resistenza. Nell’altro modo per produrre il film resistivo in carbone viene depositato un polimero di carbone sulla parte anteriore del substrato. Il valore della resistenza è determinato dalla quantità di carbone nel polimero, dalla larghezza e dalla lunghezza dell’elemento resistivo. Le resistenze a film di Carbone hanno comunemente una tolleranza del 5%. Resistenze a film metallico: Sono simili alle resistenze a film in carbone ma invece di avere un materiale di carbone depositato sulla parte anteriore del substrato, il deposito è fatto con un film di una lega di metallo come il nichelcromo. Resistenze all’ossido di metallo: L’elemento resistivo in una resistenza all’ossido di metallo è formato dal processo di ossidazione chimica di stagno sul substrato ceramico. Le resistenze all’ossido di metallo possono resistere alle alte temperature meglio delle resistenze a film di metallo o delle resistenze a film di carbone.

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-a filo: si tratta di un filo avvolto su un supporto, in genere ceramico costituito da uno dei seguenti materiali. Nichel-Rame (manganina e costantana) usate per resistori di grande precisione e stabilità; Nichel-Cromo, usate per realizzare resistori di rilevante potenza; Nichel-Cromo-Alluminio, usate per realizzare resistori con elevati valori di resistenza; Nichel-Cromo-Ferro, usate nei resistori più economici. Dal punto di vista costruttivo i tipi più comuni hanno il case ceramico. Generalmente, il tipo ceramico ha un piccolo elemento all’interno del case più grande. Il case più grande è necessario per aiutare lo smaltimento di calore e prevenire che la temperatura si innalzi troppo (tanto da causare la rottura della resistenza). Un altro tipo ha il filo avvolto sul case. Molte volte, il filo è visibile come una cresta sotto il rivestimento isolante. Nelle resistenze a filo, essendo normalmente di dimensioni rilevanti, il valore viene stampigliato sull’involucro, al posto della virgola viene messa la lettera “R”. Così 4R7 è una resistenza da 4,7ohm.

Resistenze a filoResistenze a filo corazzate

-Serie: la resistenza totale è data dalla somma delle resistenzeReq=R1+R2Si usa mettere resistenze in serie per i seguenti motivi:a) per ottenere un valore per combinazione per mancanza del componente (non viene prodotto)b) per aumentare la tensione massima applicabile alla Req. La tensione massima applicabile ad una resistenza è un parametro di fabbrica e dipende da come è realizzata la resistenza. Oltre un certo valore di tensione si innescano degli archi voltaici all’interno che portano alla distruzione del componente.c) per ottenere una più alta potenza dissipata. La potenza totale, se le resistenze sono uguali, è la sommatoria delle potenze dissipabili dalle singole resistenze.

- Parallelo: La resistenza equivalente è data dalla seguente formula.

Si usa mettere resistenze in parallelo per i seguenti motivi:a) per ottenere un valore per combinazione per mancanza del componente (non viene prodotto)b) per ottenere una più alta potenza dissipata. La potenza totale, se le resistenze sono uguali, è la sommatoria delle potenze dissipabili dalle singole resistenze.

Definizioni:- Precisione = è la massima deviazione dal valore nominale- Potenza = è ma massima potenza che il resistore può sopportare in funzione della durata di vita e della temperatura ambiente.- Coefficiente di temperatura = è la variazione di resistenza causata dalla temperatura espressa in ppm/°C oppure in %/°C.- Massima tensione di lavoro = è la massima tensione che si può applicare al resistore - Temperatura di “hot-spot” = è la massima temperatura che può assumere il resistore ed è legata alla temperatura ambiente e alla potenza dissipata.- Rapporto di impedenza ca-cc = è il massimo rapporto fra impedenza (in modulo) e la resistenza in continua alla frequenza di lavoro.

Combinazioni di resistenze:

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Esempio di interpretazione dei colori per risalire al valore di una resistenza:

Marrone/rosso/marrone/oro: quattro bande di coloreMarrone=1Rosso=2Marrone= moltiplica X 10^1Quindi 120 ohm con la tolleranza del 5% (ultima banda color oro)Il valore della resistenza è compreso fra 120-((120/100)*5)=114 e 120+((120/100)*5)=126

Marrone/rosso/marrone/oro: quattro bande di coloreMarrone=1Rosso=2Giallo= moltiplica X 10^4Quindi 120000 ohm con la tolleranza del 5% (ultima banda color oro)Il valore della resistenza è compreso fra 120000-((120000/100)*5)=114000 e 120000+((120000/100)*5)=126000

Marrone/rosso/marrone/oro: quattro bande di coloreMarrone=1Nero=0Giallo= moltiplica X 10^3Quindi 10000 ohm con la tolleranza del 5% (ultima banda color oro)Il valore della resistenza è compreso fra 10000-((10000/100)*5)=9900 e 10000+((10000/100)*5)=10100

Marrone/rosso/marrone/oro: quattro bande di coloreMarrone=1Rosso=0Giallo= moltiplica X 10^1Quindi 100 ohm con la tolleranza del 5% (ultima banda color oro)Il valore della resistenza è compreso fra 100-((100/100)*5)=95 e 100+((100/100)*5)=105

Componente reale: nell’immagine a lato è rappresentata la resistenza come componente reale, Cp schematizza la capacità che vi è fra una spira e l’altra di una resistenza a filo o a strato metallico, mentre Ls rappresenta l’induttanza di tali spire. Questi componenti fittizi ed indesiderati devono avere il più basso valore possibile e manifestano la loro influenza supratutto alle alte frequenze.

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I colori delle resistenze.RESISTORI CON 3 FASCE DI COLORE

Colore 1a fascia 2a fascia 3a fasciaNero 0 0 =Marrone 1 1 0Rosso 2 2 00Arancio 3 3 000Giallo 4 4 0.000Verde 5 5 00.000Blu 6 6 000.000Viola 7 = =Grigio 8 = =Bianco 9 = =Oro = = divide x 10Argento = = divide x 100

RESISTORI CON 4 FASCE DI COLOREColore 1a fascia 2a fascia 3a fascia 4a fasciaNero = 0 = =Marrone 1 1 0 =Rosso 2 2 00 =Arancio 3 3 000 =Giallo 4 4 0.000 =Verde 5 5 00.000 =Blu 6 6 000.000 =Viola 7 = = =Grigio 8 = = =Bianco 9 = = =Oro = = divide x 10 5%

Argento = = divide x 100 10%

RESISTORI CON 5 o 6 FASCE DI COLORE

Colore 1a fascia 2a fascia 3a fascia 4a fascia 5a fascia 6a fascia

Nero = 0 0 = = 200 ppmMarrone 1 1 1 0 1% 100 ppmRosso 2 2 2 00 2% 50 ppmArancio 3 3 3 000 = 15 ppmGiallo 4 4 4 0.000 = 25 ppmVerde 5 5 5 00.000 0.5% =Blu 6 6 6 000.000 = 10 ppmViola 7 7 7 = = =Grigio 8 8 8 = = =Bianco 9 9 9 = = =Oro = = = dividere x 10 = =

Argento = = = dividere x 100 = =

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Resistori di uso generale Resistori di precisione

E6±20%

E12±10%

E24±5%

E48±2%

E96±1%

E192±0,5%

1,0 1,0 1,0 1,00 1,00 1,00

1,01

1,02 1,02

1,04

1,05 1,05 1,05

1,06

1,07 1,07

1,09

1,1 1,10 1,10 1,10

1,11

1,13 1,13

1,14

1,15 1,15 1,15

1,17

1,18 1,18

1,2 1,2 1,20

1,21 1,21 1,21

1,23

1,24 1,24

1,26

1,27 1,27 1,27

1,29

1,3 1,30 1,30

1,32

1,33 1,33 1,33

1,35

1,37 1,37

1,38

1,40 1,40 1,40

1,42

1,43 1,43

1,45

1,47 1,47 1,47

1,49

1,5 1,5 1,5 1,50 1,50

1,52

1,54 1,54 1,54

1,56

1,58 1,58

1,6 1,60

1,62 1,62 1,62

1,64

1,65 1,65

1,67

1,69 1,69 1,69

1,72

1,74 1,74

1,76

1,78 1,78 1,78

1,8 1,8 1,80

1,82 1,82

1,84

1,87 1,87 1,87

1,89

Resistori di uso generale Resistori di precisione

E6±20%

E12±10%

E24±5%

E48±2%

E96±1%

E192±0,5%

1,91 1,91

1,93

1,96 1,96 1,96

1,98

2,0 2,00 2,00

2,03

2,05 2,05 2,05

2,08

2,10 2,10

2,13

2,15 2,15 2,15

2,18

2,2 2,2 2,2 2,21 2,21

2,23

2,26 2,26 2,26

2,29

2,32 2,32

2,34

2,37 2,37 2,37

2,4 2,40

2,43 2,43

2,46

2,49 2,49 2,49

2,52

2,55 2,55

2,58

2,61 2,61 2,61

2,64

2,67 2,67

2,7 2,7 2,71

2,74 2,74 2,74

2,77

2,80 2,80

2,84

2,87 2,87 2,87

2,91

2,94 2,94

2,98

3,0 3,01 3,01 3,01

3,05

3,09 3,09

3,12

3,16 3,16 3,16

3,20

3,24 3,24

3,28

3,3 3,3 3,3 3,32 3,32 3,32

3,36

3,40 3,40

3,44

3,48 3,48 3,48

3,52

3,57 3,57

3,6 3,61

3,65 3,65 3,65

3,70

Resistori di uso generale Resistori di precisione

E6±20%

E12±10%

E24±5%

E48±2%

E96±1%

E192±0,5%

3,74 3,74

3,79

3,83 3,83 3,83

3,88

3,9 3,9 3,92 3,92

3,97

4,02 4,02 4,02

4,07

4,12 4,12

4,17

4,22 4,22 4,22

4,27

4,3 4,32 4,32

4,37

4,42 4,42 4,42

4,48

4,53 4,53

4,59

4,64 4,64 4,64

4,7 4,7 4,7 4,70

4,75 4,75

4,81

4,87 4,87 4,87

4,93

4,99 4,99

5,05

5,1 5,11 5,11 5,11

5,17

5,23 5,23

5,30

5,36 5,36 5,36

5,42

5,49 5,49

5,56

5,6 5,6 5,62 5,62 5,62

5,69

5,76 5,76

5,83

5,90 5,90 5,90

5,97

6,04 6,04

6,12

6,2 6,19 6,19 6,19

6,26

6,34 6,34

6,42

6,49 6,49 6,49

6,57

6,65 6,65

6,73

6,8 6,8 6,8 6,81 6,81 6,81

6,90

6,98 6,98

7,06

7,15 7,15 7,15

7,23

Resistori di uso generale Resistori di precisione

E6±20%

E12±10%

E24±5%

E48±2%

E96±1%

E192±0,5%

7,32 7,32

7,41

7,5 7,50 7,50 7,50

7,59

7,68 7,68

7,77

7,87 7,87 7,87

7,96

8,06 8,06

8,16

8,2 8,2 8,25 8,25 8,25

8,35

8,45 8,45

8,56

8,66 8,66 8,66

8,76

8,87 8,87

8,98

9,1 9,09 9,09 9,09

9,20

9,31 9,31

9,42

9,53 9,53 9,53

9,65

9,76 9,76

Serie standard dei valori dei resistori:Le tabelle riportano valori che vanno da 1 a 10, per ottenere valori di altre decadi basta moltiplicare o dividere per potenze di dieci. I valori nominali disponibili per i resistori sul mercato non sono ovviamente infiniti. Sono state perciò definite delle serie commerciali, ciascuna comprendente dei valori cosiddetti normalizzati e delle tolleranze specifiche. In tabella 1 sono riportati i valori delle serie E6, E12, E24 che riguardano i resistori di uso generale, e delle serie E48, E96, E192 riguardanti i resistori di precisione

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Potenziometri e trimmer (resistori variabili)In questi tipi di resistori la resistenza nominale R può essere suddivisa in due resistenze di valore R1 e R2, tali che R1+R2=R, grazie alla presenza di un cursore mobile cui fa capo un terzo terminale. In pratica si realizza un partitore resistivo variabile.Dal punto di vista fisico potenziometri e trimmer si distinguono dal fatto che nel primo caso il movimento del cursore è possibile attraverso una leva di una certa dimensione che viene fatta ruotare sul suo asse (potenziometri rotativi) o che viene fatta scorrere longitudinalmente (potenziometri a slitta), mentre nel secondo caso le dimensioni sono più ridotte e il movimento del cursore è dato da un alberino rotante manovrabile solo tramite cacciavite.Sotto l’aspetto funzionale invece potenziometri e trimmer si distinguono dalla tipologia di impiego: infatti mentre i primi vengono generalmente usati per regolare sistematicamente una grandezza di uscita (come ad esempio la regolazione del volume di un impianto stereo) e su cui quindi viene di norma montata una manopola, i secondi vengono montati direttamente sui circuiti stampati e la loro regolazione viene fatta solo in sede di taratura del circuito, quindi in genere poche volte nella vita dell’apparecchiatura.Per questi tipi di resistori, oltre ai parametri già visti per i resistori in genere, si aggiungono altri parametri caratteristici che vengono forniti dal costruttore.La più importante è la dipendenza variazione resistenza-posizione del cursore, che specifica l’andamento della resistenza tra il cursore e uno degli altri due terminali al variare della posizione del cursore stesso. Tale legge può avere un andamento lineare, logaritmico o esponenziale e la scelta di quale caratteristica sfruttare è dettata da particolari esigenze di progetto di un circuito.Altro parametro caratteristico è l’angolo di rotazione massimo che in genere è compreso tra 270° e 320°. Sono però disponibili in commercio anche trimmer e potenziometri cosiddetti multigiro, in cui la rotazione consentita all’alberino può essere di alcune decine di giri, consentendo così di avere una risoluzione migliore.Dal punto di vista costruttivo si possono dividere in tre tipologie:- A carbone: sono composti da un substrato di materiale plastico su cui viene depositato del carbone. Sono i più economici e i meno consigliati per impeghi professionali

- A filo: Sono costituiti da un supporto isolante su cui è avvolto del filo di materiale ad alta resistività. LA slitta si muove fra una spira è l’altra, quindi quando si ruota il cursore, nel caso di un potenziometro si avverte un movimento a scatti.- Cermet: l’elemento resistivo è composto da un impasto di ceramica e metallo. Sono normalmente di ottima quelità.- Plastica conduttiva: l’elemento resistivo è composto da carbonio intrappolato in una matrice plastica

Vari tipi di trimmer

Potenziometri

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Trasformatori di alimentazione e di accoppiamento.I trasformatori di alimentazione sono componenti praticamente insostituibili per ricavare tutte le tensioni di polarizzazione che necessitano ai circuiti elettronici. Si dividono in tradizionali (con lamirini incastrati per ricavare il traferro) e toroidali (con nucleo toroidale)

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Legge di Ohm: Georg Simon Ohm definì nel 1827 in modo scientifico il concetto di forza elettromotrice riferita a un generatore di corrente, distinguendola nettamente dall’intensità di corrente e stabilì inoltre la legge che lega queste due grandezze.

V= RIossia la tensione V ai capi di un conduttore è direttamente proporzionale alla resistenza R e all’intensità della corrente I. Come noto, tale formula può anche essere scritta:

I = V/R = G Vdove G è l’inverso della resistenza, ossia la conduttanza, e quindi l’intensità della corrente I che fluisce in un conduttore, è proporzionale alla conduttanza G e alla tensione V ai capi del conduttore.

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