Audio Valvole

Il tubo a vuoto ( fig. 1 ), o più comunemente conosciuto come valvola, è stato il primo dispositivo di amplificazione di un segnale ( primo componente attivo inventato, e cio’è che necessita di alimentazione elettrica per poter funzionare ), nato nei primi anni del 900′ soprattutto per uso militare, diffuso anche in ambiente audio commerciale soprattutto negli anni 30′- 40′ e sviluppatosi fino agli anni 60’, andato in disuso con l’avvento della tecnologia elettronica e ritornato ad oggi come generatore di suoni vintage, dal suono compresso e caldo, pieno di armoniche ed effetti granulari. Diffuso molto nei microfoni valvolari, nei processori di segnale come i compressori, e presente molto spesso anche nei pre-amplificatori da chitarra elettrica e basso elettrico.

Fig. 1 as

Di seguito analizziamo le valvole più comuni e più diffuse in ambiente audio, è comunque possibile trovare delle variazioni in base al metodo costruttivo.

 

Effetto Termoionico

Il principio di funzionamento di una valvola, si basa sulla trasmissione di elettroni, dovuta al riscaldamento di un apposito componente metallico ( germanio una volta, ad oggi si usa il tungsteno o tantalio per la realizzazione di valvole di grande potenza ), ad una temperatura tra i 2000° C e 3000° C ( punto di fusione > 3300° C ), questo metallo viene definito elettrodo CATODO, e quando viene scaldato, ha capacità di rilasciare elettroni. Questo rilascio non è lineare, ma dipende da quanto esso viene scaldato e da molti altri fattori che vedremo nella spiegazione di questo argomento. Maggiore sarà il calore applicato e maggiore sarà il rilascio di elettroni, fino ad un punto massimo prima della rottura. Le valvole poi, a parità di calore, impiegano un determinato tempo per avere un rilascio di elettroni a regime, infatti il loro perfetto funzionamento lo hanno solo quando il catodo si scalda adeguatamente, per tutti i valori precedenti, il rilascio di elettroni non è qualitativo e lo si sente molto anche ad orecchio quando la valvola viene utilizzata per amplificare segnali audio.

n.b. Il tempo di carica della valvola dipende dal tipo di valvola e dalla sua potenza. Per piccole valvole possono bastare pochi minuti, per grandi valvole anche 1 ora. Lo si capisce guardando il filamento del catodo ( anche se non è cosi per tutte le valvole ), quando è di un colore acceso tipo quello di figura 2, ma anche come vedremo dalla presenza di aloni e residui di colore nero-bianco, questo significa che la valvola ha raggiunto il suo funzionamento a regime. Come possiede un tempo di carica possiede anche un tempo di scarica ( raffreddamento ) una volta tolta l’alimentazione, in questo tempo la valvola è sempre estremamente fragile e quindi è bene non spostare e tanto meno toccare l’attrezzatura che la utilizza ( per non rischiare danneggiamenti ) fino a che non si è completamente raffreddata. Il tempo di scarica è generalmente 1/3 più breve del tempo di carica.

Fig. 2 240_F_103160550_qEGIaBF6ISmaBV88Sv937pi5k8koEZIv.jpg

Per aumentare la capacità di trasmissione degli elettroni il materiale del catodo è spesso rivestito con ossido di torio con proprietà di emissione superiore a quella del tungsteno, il quale alimentato fino a circa 2800° K si trasforma in parte metallica e va atomicamente a fondersi con il tungsteno e realizzare un emissione di elettroni con una carica più elevata e con maggiore intensità. Una volta che la valvola si raffredda i due elementi tornano separati pronti per una nuova carica.

Questo processo porta via via ad un’evaporazione di parti spurie e cio’è del metallo stesso di cui sono composti catodo, rivestimento ma anche qualsiasi componente di cui è costruito la valvola. La vita media di una valvola di questo tipo è di circa 1500 – 2000 ore.

Oltre al torio si possono trovare valvole con altre tipologie di ossidi ( spesso su di un supporto metallico aggiuntivo sulla superficie del catodo ) sempre con proprietà ad alto efficiente di emissione energetica.

Il catodo ( fig. 3 ) che come detto è formato da un materiale metallico e si presenta come un filamento disposto a solenoide per aumentarne le proprietà e capacità di carica, è polarizzato da un capo attraverso la rete elettrica che fungerà da corrente stabile ( la stabilità e corretto valore della corrente elettrica di alimentazione come per ogni altra apparecchiatura audio sarà di fondamentale importanza, per cui quando possibile utilizzare sempre un distributore e purificatore di corrente elettrica, es. i distributori della Furman ), e dall’altro lato vi è il segnale elettrico modulante, cioè il segnale audio inviato dal dispositivo di trasduzione come può essere il microfono o lo strumento musicale.

Fig. 3 2017-10-09_15-36-18

La corrente elettrica ha la funzione di scaldare il catodo per portarlo a regime ed in base agli impulsi elettrici ricevuti dalla modulazione del segnale audio il catodo libererà cosi elettroni amplificati, che arrivano lungo il loro flusso verso una lamina di metallo ( di stesso materiale o sempre materiale ferromagnetico ), chiamata elettrodo ANODO, la quale preleverà questi elettroni e li ritrasformerà in corrente, cosi da fornire valori di amplificazione e resistenza a seconda del flusso di elettroni di cui l’anodo si riesce ad impadronire. La qualità e la potenza di una valvola la si vede proprio dalla capacità dell’anodo di prelevare il flusso di elettroni inviati dal catodo. Più la piastra è grande e più la valvola sarà anche potente perchè più elettroni verranno prelevati e trasformati, una maggiore grandezza determina anche una migliore risposta in bassa frequenza, al contrario una più piccola grandezza una migliore risposta in alta frequenza. Una lamina più grande però porta anche maggiore distorsione per ogni spazio della lamina non caricato ( quindi punti della lamina che non prelevano elettroni ).

Per far si che vi sia un flusso costante e con minime resistenze ed alterazioni possibili degli elettroni nel tragitto catodo-anodo si utilizza un tubo a vuoto realizzato tramite vetro soffiato, cioè privo di aria, prelevatagli attraverso un’apposita pompa, all’interno del quale vengono posti catodo e anodo, inserendo poi all’interno del tubo anche un elemento ( generalmente una fascia assorbente di bario ) denominato Getter, il quale va a reagire con i gas presenti nelle più piccole particelle d’aria rimaste, creando il vuoto assoluto. Quando il catodo viene scaldato, la reazione del getter ad eliminare le più piccole particelle solide presenti nell’aria, si presenta come residuo solido di colore nero ed aloni bianchi o neri sulla superficie del vetro, che si può vedere chiaramente sulla valvola una volta a regime ( fig. 4 ), questo ci dice che all’interno della valvola vi è il vuoto assoluto o quasi, e non che vi è una probabile rottura.

Fig. 4 getter_03.jpg

L’anodo rispetto al catodo che come detto si presenta come filamento o come vedremo piastra, può presentare diverse forme costruttive che ne vanno a definire differenti capacità di prelievo degli elettroni inviati dal catodo, più l’area è grande e maggiore potere avrà.

Anche l’anodo come il catodo deve garantire alcune proprietà fondamentali per ottenere un buon rendimento, tra cui un basso coefficiente di dilatazione termica che andrebbe come detto anche per il catodo a variare i parametri tecnici della valvola stessa, un elevato punto di fusione ( quanto meno pari a quello del catodo ) per evitare rotture ed una più rapida vaporizzazione dei suoi elementi metallici riducendo la vita media della valvola. I materiali più utilizzati sono il molibdeno ( facile da lavorare ma bassa proprietà di emissione energetica e per questo utilizzato più che altro in valvole di bassa potenza, viene spesso sabbiato per aumentare il suo rendimento/superficie ), tantalio ( caratteristiche simili al molibdeno, unico elemento tra questi elencati in grado di assorbire gas e quindi minimizzare come vedremo l’utilizzo di ulteriori componenti per ridurre i gas spuri degli elementi metallici che incidono negativamente sul percorso degli elettroni, si nota per il colore rosso e/o arancio quando il suo riscaldamento arriva a regime ), ferro nichelato o nichel ( facile lavorazione, potere di emissione e punto di fusione basso ma basso anche il suo rumore di fondo, spesso rivestito in carbonio per aumentarne il potere, utilizzato principalmente per valvole di piccola potenza ), tungsteno ( più difficile da lavorare e quindi meno utilizzato, ma con basse proprietà elastiche e quindi mantiene la sua efficenza per un elevato tempo di utilizzo ), o graffite per valvole molto potenti ( avendo il più alto punto di fusione ed un elevato potere irradiante, oltre che una più omogena distribuzione degli elettroni, solo genera il più alto valore di gas spurio e quindi rumore armonico difficilmente da ridurre e per questo meno utilizzata per piccole potenze ).

Quanto appena visto è appunto il principio termoionico, grazie al quale è possibile amplificare un segnale elettrico, per questo tali valvole per differenziarle da altre tipologie di valvole come quelli per l’idraulica e automobili, sono dette valvole termoioniche.

All’inizio il catodo veniva utilizzato a riscaldamento diretto ( fig. 3 ), cioè faceva parte del filamento stesso che veniva polarizzato, fu poi evoluto a riscaldamento indiretto ( fig. 5 ), e cioè all’interno del tubo a vuoto viene sempre posto il filamento al quale viene collegata l’alimentazione elettrica per riscaldato, il suo riscaldamento di conseguenza va a riscaldare la lamina del catodo postagli subito sopra ( quasi a contatto ) a cui è connesso il segnale audio modulante.

Il sistema indiretto risolve i problemi di ronze generate dal metodo diretto per via della maggiore instabilità termica dovuta all’elevata sensibilità. Il metodo indiretto consente di avere una maggiore stabilità nel controllo della temperatura del catodo ed ottenere cosi un migliore rendimento.

Fig. 5 2017-10-09_17-12-47.jpg

La tecnica a riscaldamento indiretto è molto più efficiente di quella a riscaldamento diretto.

Di contro ha il fatto di impiegare più tempo per arrivare al punto di riscaldamento a regime rispetto al metodo diretto.

In uscita della valvola, quindi dopo lo stadio di amplificazione, viene generalmente interposto un trasformatore innalzatore, questo perché le valvole producono un elevato rumore di fondo se troppo amplificanti, ridotto appunto con l’introduzione del trasformatore, abbassando il guadagno di amplificazione della valvola e amplificando il rimanente necessario dal trasformatore. Il trasformatore ha poi il compito di abbassare il livello di impedenza di uscita della valvola, molto alto e spesso inutilizzabile per la maggior parte degli ingressi odierni standardizzati.

Quando la valvola è a regime l’involucro di vetro detto anche Bulbo o Guscio è molto caldo ( attorno ai 100° C – 200° C ) e quindi anche molto fragile ( molto più che quando freddo e a riposo ), difatti basta un piccolo urto per romperlo o comunque danneggiarlo ( fare molta attenzione, anche per non bruciarsi ).

L’evoluzione della struttura costruttiva della valvola, come quella in figura 6 o ancor più chiara in figura 7 ( da audiovalvole.it ), propone il catodo con lunghezza tra i 5 cm ed i 10 cm all’interno di una placca che avvolge completamente il filamento a 360 gradi, questa placca è l’anodo che in questo caso funge anche da generatore di vuoto ( una doppia protezione insieme al bulbo ), il catodo che percorre tutto il perimetro della valvola garantisce una migliore distribuzione degli elettroni, mantenendoli attivi e rapidi nel movimento. Il filamento per il riscaldamento diretto od indiretto è generalmente posto sulla parte terminale superiore del catodo. L’anodo a forma di placca garantisce una migliore efficenza di prelievo degli elettroni, in quanto essendo posto a 360° di copertura, qualsiasi sia il loro tragitto finiranno sempre ad impattare sull’anodo.

Fig. 6 esploso-diodo Fig. 7 valvola_diodo_termoionico_large

Questo sistema costruttivo consente di avere un alto grado di protezione contro urti accidentali ma anche contro intemperie atmosferiche, continui spostamenti e qualsiasi tipo di movimento possa subire la valvola. Cosi facendo si trasferisce anche una minore energia di calore all’involucro esterno ( bulbo ), rendendolo più freddo e quindi anche più solido.

La disposizione del filamento, del catodo ed altri parametri della valvola può variare in base al metodo costruttivo, ma il principio di funzionamento rimane lo stesso.

Il segnale è inviato/prelevato da appositi piedini di stesso materiale del filamento, questi piedini ( detti reofori ) sono inseriti in un supporto ( zoccolo ) che consente l’assemblaggio con la valvola, il materiale dello zoccolo può essere vetro ( più fragile e meno professionale ) o mica ( più resistente e professionale, in quanto isola da eventuali emissioni secondarie di calore che possono alterare lo stato della valvola ).

n.b. Il numero di piedini presenti nello zoccolo come vedremo faranno dipendere il nome della valvola.

La valvola è un componente attivo che funziona solo in un senso, e cio’è quando il catodo è polarizzato negativamente e l’anodo positivamente ( fig. 7 ), grazie al quale è possibile far circolare il flusso di elettroni dall’anodo allo stadio successivo. In caso di inversione della fase il sistema non funziona in quanto il flusso di elettroni avviene per principio termoionico solamente dal riscaldamento del catodo verso l’anodo, il catodo regetta l’arrivo degli elettroni. Per invertire la fase del segnale audio si utilizzano invece altri componenti attivi o passivi esterni che vedremo in altre argomentazioni.

Fig. 72017-10-09_18-24-26

 

VALVOLA DIODO

La prima tipologia di valvola costruita non chè la più semplice dal punto di vista del suo funzionamento e collegamento è quella a diodo ( fig. 5 ) appena analizzata.

 

VALVOLA TRIODO

Fig. 8 tri Fig. 9 triodo

Se andiamo ad inserire una griglia di controllo tra il catodo e l’anodo, caricata negativamente per permettere il flusso di elettroni verso l’anodo ( che è positivo ), ma di valore superiore rispetto al catodo per aumentare i fenomeni repulsivi e spingere gli elettroni verso l’anodo, realizzeremo una valvola triodo ( fig. 8 e 9 ).

Questa griglia ha lo scopo di modulare il flusso di elettroni in modo da variarne l’amplificazione, modificando la posizione della griglia si va a modificare il fattore di amplificazione.

Nel caso costruttivo di figura 6 e 7 in cui il catodo si presenta come un lungo filamento, la griglia è spesso avvolta attorno a tutto il perimetro del catodo ( fig. 10, da audiovalvole.it ).

Fig. 10 2017-10-10_11-12-54

La capacità della griglia nel controllare il flusso di elettroni è inversamente proporzionale alla sua distanza, per cui tanto più è vicina al catodo e tanto più questa sarà sensibile, potendo gestire più adeguatamente il flusso di elettroni e quindi la potenza di amplificazione ( spesso ottenendo potenze maggiori ).

Per mantenere questo controllo stabile nel tempo è importante che la griglia sia di un materiale stabile e non deformante ( sia dal calore che da urti e movimenti, anche una piccola variazione del suo stato può modificare le caratteristiche timbriche e di potenza della valvola ), e che non abbia proprietà di emettere a sua volta elettroni quando riscaldata ( andrebbero a creare conflitto con quelli generati dal catodo ).

n.b Urtando una valvola con griglia è facile percepire un suono di distorsione simile ad un effetto a molla.

Come si vede in figura 11 ( da audiovalvole.it ), ai lati del catodo vi sono 2 supporti che servono per tenere in posizione la griglia ad una determinata distanza dal catodo ( micron ), hanno anche il compito di impedire l’innalzamento della temperatura della griglia ( che porta dilatazione con tutti i problemi appena visti ) e devono essere di un buon materiale conduttore di calore ( generalmente rame ) in quanto non devono presentarsi come ostacolo nell’emissione degli elettroni da parte del catodo. Generalmente la griglia è composta da materiale quale molibdeno rivestito di zirconio o platino, a volte placato oro. La sezione del filamento deve essere la più piccola possibile sempre per non interferire con il flusso di elettroni generato dal catodo.

Fig. 11 triodo_smontato_02

Escludendo il diodo ( quasi mai utilizzato a livello audio ), il triodo è in assoluto la valvola che genera meno rumore, ma anche più basse potenze.

Viene molto utilizzato ad oggi nei pre-amplificatori valvolari, per la sua qualità timbrica, pur essendo molto sensibile alle variazioni di temperatura, con una conseguente variazione nella risposta in frequenza, soprattutto nelle alte frequenze, in cui questo tipo di valvola è carente, perché tra anodo e griglia si viene a formare una capacità, che come dielettrico sfrutta il flusso di elettroni e fa da filtro passa-basso. Comunque è utilizzato ove sia necessario generare basse potenze, in quanto la valvola, in uscita, da una potenza molto piccola. Più triodi in parallelo come spesso si vede negli amplificatori da chitarra, possono aumentare la potenza totale in uscita.

Anche la valvola triodo può essere a riscaldamento diretto o indiretto.

Il limite principale del triodo è dato dalla capacità interelettrodica, che definisce il rapporto capacitivo tra griglia ed anodo. La polarità positiva dell’anodo forma con la polarità negativa della griglia un accoppiamento che all’aumentare della frequenza determina un fenomeno di retroazione che va a ridurre il valore di amplificazione. E’ comunque un fenomeno che riguarda anche la capacità tra anodo e catodo, ma anche tra griglia e catodo ( solo in senso opposto avendo la stessa carica negativa ).

n.b. Per questo motivo che ad esempio gli amplificatori da chitarra elettrica hanno un limite alto nella loro risposta in frequenza entro i 4 Khz – 5 Khz, a volte anche meno.

Più gli elettrodi ( anodo – catodo – griglia ) sono grandi ( per generare maggiori potenze ) e più questo fenomeno parassita che crea un filtro naturale passa-basso è rilevante, e via via la frequenza di taglio si abbassa sempre di più.

Per risolvere ( almeno in parte ) questo problema è stato inventato il Tetrodo.

 

DOPPIO TRIODO

La valvola a doppio triodo ( fig. 10 ), è realizzata con doppio filamento e/o griglia al fine di gestire in modo indipendente diversi valori energetici e creare una valvola di maggiore potenza, con una sua determinata impedenza di uscita ed un rumore di fondo più basso rispetto alla stessa potenza ma con solo la tipologia triodo.

Fig. 10 12AX7B-Preamplificatore-a-Doppio-Triodo-Elettrone-Tubo-a-Vuoto-per-12AX7-ECC83-B759-7025-5751-Tubo.jpg_640x640

Il doppio triodo è spesso utilizzato nei pre-amplificatori da chitarra ma anche basso, al posto del triodo per ottenere una maggiore potenza.

Si presenta esattamente come un doppio triodo, solo costa di meno a scapito di qualche problema in più dal punto di vista del rumore generato.

 

VALVOLA TETRODO

Fig. 11 120758_LB_00_FB.EPS_250Fig. 12 tetro

Se alla griglia di controllo, andiamo ad aggiungere una griglia di schermo ( fig. 12 ) questa volta con polarità positiva inferiore a quella dell’anodo per ridurre fenomeni repulsivi, collegata a massa, si crea uno schermo elettrostatico, che diminuisce la capacità creatasi tra anodo e griglia di controllo, favorendo la corretta amplificazione anche sulle alte frequenze. Possono esistere due tipologie di valvole tetrodo, quelle normali, come appena viste, e quelle a fascio, che introducono un’armatura focalizzante che riduce l’effetto di emissione secondaria.

Se non è richiesta un eccessiva potenza la valvola tetrodo a fascio sostituisce spesso il pentodo negli amplificatori di potenza per la più bassa impedenza di ingresso e quindi un miglior utilizzo per interfacciamento con le impedenze di uscita dei moderni dispositivi audio con segnale a livello di linea.

Come si vede dalla figura 13 ( da audiovalvole.it ), il fascio di elettroni, una volta attraversate le due griglie, viene regolato da una serie di placche di focalizzazione che comprimono il fascio di elettroni in una più ristretta area, contrastando cosi quelle emesse per emissione secondaria.

Fig. 13 2017-10-10_15-02-04.jpg

 

Emissione Secondaria

L’emissione secondaria è un problema derivato dal flusso di elettroni, quando gli elettroni si liberano dal catodo rischiano poi di urtare contro l’anodo se non vengono caricati da esso ( e da qui la capacità dell’anodo di caricare questi elettroni è fondamentale ). Questo comporta una riflessione, gli elettroni riflessi andranno a urtare altri elettroni che verranno successivamente generati dal catodo cosi da modificarne il moto e quindi l’efficienza della valvola. Le placche di focalizzazione permettono quindi di ridurre questo fenomeno.

Il tetrodo genera un rumore leggermente superiore al triodo ma anche una maggiore potenza e per questo utilizzato in applicazioni di piccoli amplificatori di potenza per il segnale audio.

 

DOPPIO TETRODO

Come per il triodo esiste anche il doppio tetrodo per realizzare potenze superiori, mantenere un rumore di fondo relativamente basso, e tutti quei fattori visti anche per la valvola a doppio triodo.

 

PENTODO

Fig. 14 pent.jpg Fig. 15 pen

Se aggiungiamo un’ulteriore griglia chiamata griglia di soppressione, realizzeremo un pentodo. Questa griglia, ha il compito di ridurre ulteriormente i problemi di emissione secondaria degli elettroni. È generalmente collegata al catodo per risparmiare un piedino ( difatti questa valvola ha lo stesso numero di piedini del tetrodo ). Questa valvola è qualitativamente la migliore, ed è anche quella che riesce a generare maggiore potenza, una più ampia banda passante e bassa distorsione, anch’essa insieme al triodo viene molto utilizzata nel campo audio per gli amplificatori di potenza.

Di contro ha il fatto di avere un’elevato rumore di fondo ed un’elevata impedenza di ingresso e per questo il suo utilizzo è limitato alle grandi potenze e non utilizzabile per l’audio microfonico e di linea.

Nei pentodi, date le numerose griglie di controllo, l’effetto di emissione secondaria ha il più basso valore in assoluto di tutte le valvole, per questo il metodo a fascio della valvola tetrodo non viene utilizzato.

 

TRIODO – PENTODO E MISTO

Come per la valvola a doppio triodo esistono anche configurazioni miste come quella triodo-pentodo ( fig. 16 ), in cui è realizzata una doppia valvola con le caratteristiche del triodo e pentodo fuse insieme, sempre per gli stessi motivi di poter gestire in modo indipendente due o più valori all’interno della stessa valvola, ottimizzando potenza, rumore e tutte le caratteristiche tecniche della valvola.

Fig. 16  37168801-Valvola-elettronica-triodo-pentodo-Archivio-Fotografico.jpg

 

 

Rumore nelle Valvole

Come accennato, in base al metodo costruttivo si ottengono diverse prestazioni della valvola, l’aspetto fondamentale per il suo utilizzo in ambiente audio è il rumore generato, che limita tutti i parametri qualitativi ( come dinamica, risposta in frequenza lineare, ecc.. ).

Esistono diversi fenomeni compreso quelli già analizzati che portano a generare rumore all’uscita del segnale elettrico da una valvola, controllati tramite i processi costruttivi visti fino ad ora e per cui si può andare a definire una tabella:

  • Shot Effect

Emissione casuale e fluttuazione degli elettroni che limitano le capacità di emissione del catodo, dovuto principalmente alla nuvola del fascio di elettroni che si forma in prossimità del catodo impedendo per repulsione ( essendo negativi come il catodo ) la generazione di un nuovo fascio ( fenomeno tanto più presente quanto più basso è il potenziale dell’anodo ). Una temperatura del catodo più alta favorisce un maggiore flusso e quindi contrasto alla nube repulsiva. E’ un rumore concentrato molto in bassa frequenza se dipendente dalla temperatura del catodo, mentre più in alta se dipendente maggiormente dal basso potenziale dell’anodo.

  • Flicker Effect

E’ l’effetto tremolio ( molla ) che si genera quando la valvola subisce urti accidentali, ma anche dovuto agli stessi spostamenti per dilatazione termica dei componenti della valvola.

  • Ionizzazione per Collisione

Problema che si verifica quando la presenza di gas residui impattano con il flusso di elettroni. Questo può portare ad una diminuzione della stabilità della corrente ( verso bassi valori ), quando l’elettrone viene assorbito dall’atomo di gas e l’atomo diventa uno ione negativo attratto dall’anodo. Può portare ad un aumento temporaneo della corrente, quando l’energia dell’elettrone è alta e strappa un elettrone all’atomo del gas che diventa uno ione positivo e migra verso il catodo, mentre due elettroni migrano verso l’anodo ( invece di uno ). Può portare infine ad un ritardo nel percorso degli elettroni da catodo ad anodo, quando l’elettrone urta l’atomo di gas ed in questo caso viene assorbito, ne libera un’altro, l’atomo rimane neutro mentre il numero di elettroni non cambia.

  • Divisione casuale della corrente fra elettrodi concorrenti

Rumore maggiormente presente nel pentodo causato dalla divisione degli elettroni ( casuale ) tra anodo e griglia schermo ( essendo anch’essa di carica positiva ).

Il rumore emesso da un pentodo è ritenuto circa il triplo di quello emesso da un triodo.

  • Rumore da interferenze elettromagnetiche

Non essendo componenti schermati le interferenze elettromagnetiche esterne ( soprattutto VHF ) sono una delle principali cause di rumore ed instabilità all’interno di una valvola. Per questo le valvole è sempre bene proteggerle con apposite griglie ( un po come quelle delle capsule dei microfoni ).

  • Difetti di Costruzione

Anche i difetti di costruzione sono tra le principali fonti di rumore, insieme alla qualità dei componenti utilizzati.

n.b. La distribuzione spettrale del rumore è prevalentemente concentrare in bassa frequenza come un tipo di rumore marrone alla bassissime frequenze e rosa alle basse frequenze, che contrastano e mascherano un rumore bianco costante in tutta la banda. Mentre più lieve ma presente una tipologia di rumore bianco per le medie ed alte frequenze, in cui rumore marrone e rosa sono molto bassi ( analizzeremo le tipologie di rumore quando parleremo di acustica ).

 

BIAS nelle Valvole

Il BIAS è il valore della tensione presente ai piedini di un componente elettrico ed elettronico che ne permettono un funzionamento ottimale, in questo caso della valvola termoionica.

Non esiste un preciso valore standard per la tensione da applicare alla valvola, questo va calcolato in quanto dipende sia dal tipo di valvola che dal numero di valvole presenti nel circuito. Il punto di tensione-corrente massima e quindi il valore per cui va alimentata la valvola tale da avere un ottimo rendimento è determinato dal valore di carica per cui oltre il passaggio di elettroni non aumenta più, mediato al valore di tensione che produce un livello di distorsione ( come abbiamo visto aumentando la tensione applicata al catodo aumenta il riscaldamento del filamento ed aumenta quindi il flusso e velocità degli elettroni ). Generalmente questo è il valore applicato come differenza di potenziale tra l’eventuale griglia posta a 0 V, l’anodo generalmente > 300 V ed il catodo generalmente qualche V sopra alla griglia.

In alcuni circuiti come quello di pre-amplificazione di segnale, la tensione della griglia è sempre posta a 0 V, ed il livello di tensione applicata al catodo e all’anodo si realizza in modo automatico dipendente dal passaggio della corrente e del segnale. Questo processo è anche chiamato Cathode Bias. In questo caso quando si necessita di cambiare una valvola non c’è bisogno di ri-settare il valore di bias ( questo è un circuito che molto spesso si trova nei pre-amplificatori da chitarra elettrica ).

In altri circuiti c’è il Fixed Bias un valore di bias regolabile eventualmente direttamente dal dispositivo ( attraverso un apposito trimmer ) senza l’ausilio di strumentazione esterna come invece avviene normalmente. In questo caso a 0 V è posto il catodo ( collegato a terra ), mentre la griglia si polarizza in modo negativo generalmente tra i – 30 e – 70 V in quanto deve avere un potenziale inferiore rispetto al catodo ( soprattutto nell’utilizzo in finali di potenza ), l’anodo rimane invece ai suoi valori > 300 V.

Per quanto riguarda la corrente, le valvole vengono generalmente attraversate da valori medi tra i 20 mA e 50 mA. Il valore ottimale di bias sarà quello che quando non circola segnale audio all’interno della valvola, abbia un passaggio di corrente che porti un livello di amplificazione tra il 50 % e l’80 % del valore massimo quando passa segnale.

n.b. A differenza dei circuiti elettronici, la valvola amplifica anche quando è in assenza di segnale in quanto che la tensione in ingresso è sempre presente, il catodo si scalda e rilascia elettroni. Per questo un amplificatore da chitarra elettrica valvolare farà sempre più “rumore di fondo” rispetto ad uno a transistor quando non si suona lo strumento.

 

Parametri di utilizzo valvolare in ambiente audio

In ambiente audio le valvole hanno i loro pro e i loro contro rispetto all’utilizzo dell’elettronica a semiconduttore.

 

Pro:

Hanno un suono più caldo, dovuto ad una maggiore distorsione sulle armoniche di ordine pari a differenza dei semiconduttori, che hanno una prevalenza di distorsione sulle armoniche dispari, al nostro orecchio più sgradevole. Questa particolarità di suono è derivata anche dal fatto che l’armonica di 2° ordine è la preponderante nelle valvole, e quindi quella con maggiore intensità, mentre nei semiconduttori è la 3° armonica. Nelle valvole poi, le armoniche di valore intermedio come la 4°-5°-6°, hanno un loro valore e quindi un loro contributo, mentre nei semiconduttori no, hanno un valore molto basso.

Questo porta a volte, a preferire l’utilizzo di processori valvolari rispetto a quelli a semiconduttore ( es, negli amplificatori da chitarra elettrica e basso elettrico o a volte anche la voce ), ma ove sia necessario un contributo armonico di basso valore e più trasparenza di amplificazione, conviene l’utilizzo di semiconduttori. Dipende sempre dal nostro orecchio e dal suono preferito e/o ricercato.

Avendo questa particolare tipologia di distorsione armonica, una valvola può raggiungere anche minimi valori di distorsione del segnale che sono sempre ben accettati dall’orecchio, in quanto un suono caldo è più piacevole all’ascolto di uno freddo. Mentre nel semiconduttore, avendo una sonorità fredda, già ai primi valori di distorsione il suono comincia a essere sgradevole. Questo però può favorire, un maggiore controllo sul segnale, senza arrivare ai punti di rottura del processore. Oltre a questo la distorsione valvolare è più compressa di quella a semiconduttore, il che aiuta ad essere maggiormente percepita anche per i più piccoli valori, e per questo quando si necessita di creare un effetto di distorsione ( es. sulla voce ) si preferisce usare un amplificatore valvolare rispetto ad uno a semiconduttore, sia per la sua più dolce e morbida sonorità che per la sua maggiore e compressa presenza.

 

Contro:

I dispositivi valvolari sono molto ingombranti, soprattutto quando si mettono più valvole in parallelo per ottenere più potenza. Consumano molta corrente rispetto a quella erogata in potenza ( basso rendimento ).

Sono molto fragili, infatti l’utilizzo delle valvole nel live è poco, proprio per la fragilità di rottura di questi dispositivi, soprattutto quando sono caldi. Hanno un tempo di riscaldamento per entrare a regime che può impiegare anche diversi minuti. Quando si utilizza un dispositivo valvolare, sia esso processore di segnale od amplificatore, va collegato a corrente prima di un qualsiasi altro dispositivo, per permettere con il tempo necessario di scaldarsi adeguatamente, soprattutto se vengono utilizzati in ambienti freddi. In generale non hanno una vita molto lunga, dipende molto da come le si utilizza.

Ove vi sia una tensione elettrica di alimentazione non costante, o troppo bassa o troppo alta rispetto a quella necessaria per un corretto bias di alimentazione delle valvole, queste tendono facilmente a produrre rumore e rendere maggiormente distorto il suono in uscita, per questo è bene utilizzare le varie attrezzature che dispongono di valvole in ambienti controllati come ad esempio lo studio di registrazione, mentre per eventi live in cui di tutto e di più si può trovare soprattutto in eventi con basso budget a disposizione, consiglio più l’utilizzo di dispositivi con circuiteria attiva o passiva ma senza l’utilizzo delle valvole.

La temperatura ambientale incide fortemente sui tempi di carica e scarica, d’estate essendo caldo la valvola impiega un tempo di carica inferiore, al contrario il tempo di scarica sarà maggiore, e viceversa per i mesi invernali.

Hanno un alto rumore di fondo, soprattutto quelle vecchie, ed il loro funzionamento è molto soggetto a spostamenti ed urti, infatti se si va ad urtare una valvola mentre è in funzione, oltre che a rischiare di danneggiarla, ne si varia per quell’istante di movimento il flusso di elettroni e quindi la sonorità.

In generale le valvole producono poca potenza rispetto ad un semiconduttore, quindi si necessità di molte valvole in parallelo per generare una cospicua potenza, ma con il fatto di diventare molto ingombranti e pesanti. Per questo ad oggi con l’evoluzione della tecnologia e l’avvento dell’elettronica, negli amplificatori di potenza utilizzati per amplificare altoparlanti, si usano quasi esclusivamente semiconduttori, che oltretutto posseggono una maggiore linearità come risposta in frequenza.

Per rilevare se una valvola è danneggiata o comunque ha finito il suo ciclo di vita o semplicemente è stata montata male, oltre a poterlo percepire come suono non più definito magari a come ci si era abituati al suo ascolto, con l’introduzione di maggiori armoniche di distorsione, anche picchiettando lievemente ad esempio con una matita sul bulbo della valvola, se questa genera Flicker ( rumore da vibrazione ) con piccoli picchietti è molto probabile o che non sia montata bene ( e quindi tende ad oscillare per vibrazioni trasmesse dal dispositivo quando in funzione come ad esempio un pre-amplificatore da chitarra ), o che abbia perso le sue proprietà qualitative. Quando nuove e correttamente montate per generare flicker la valvola deve essere posta in vibrazione generalmente con molta più intensità.

 

Altre Valvole

Esistono poi anche altri tipi di valvole, come ad esempio l’Esodo, l’Eptado, l’Optado ( definite Valvole Multigriglia ) che possiedo appunto griglie in più, ma a livello audio sono meno utilizzate, più che altro come convertitori di frequenza, in quanto possiedono un’elevata impedenza di ingresso.

Altre ancora come quelle a gas vengono utilizzate per stabilizzare la tensione nei circuiti elettrici.

 

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