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Matched si... ma per cosa?

Caratteristiche di Accoppiamento dei Tubi

Le valvole possono essere accoppiate in vari modi. I principali parametri che possono essere accoppiati sono:

Corrente a riposo

Tutte le valvole in tutti gli amplificatori di classe A o AB, che siano valvole pilota di basso livello o tubi d’uscita, sono attraversati da una certa corrente a riposo che è determinata dalla tensione di placca, dalla tensione griglia/catodo e dalle caratteristiche del tubo stesso. Verrà visto in seguito che, in certe applicazioni, avere le stesse correnti a riposo è importante.

Transconduttanza

La Transconduttanza si definisce con Gm = variazione incrementale della corrente di placca / variazione incrementale della tensione di griglia ad uno specifico punto di lavoro ed è la misura principale del guadagno nei Tetrodi e nei Pentodi. La Transconduttanza naturalmente cambia al variare delle tensioni e correnti di placca, così una specifica Transconduttanza è significativa solo se è indicato anche il punto di lavoro. La Transconduttanza diminuisce con l’invecchiamento del tubo.
Valvole perfettamente accoppiate avranno la stessa Transconduttanza ma valvole con la stessa Transconduttanza non necessariamente avranno anche gli altri parametri accoppiati, così la sola Transconduttanza non è un indicatore completo per un buon accoppiamento.

Mu

Mu si definisce con Mu = variazione incrementale della tensione di placca / variazione incrementale della tensione di griglia ad uno specifico punto di lavoro ed è la misura principale del guadagno nei Triodi. Mu rimane generalmente invariato a differenti condizioni di lavoro e con l’invecchiamento, ad eccezione se il tubo si avvicina all’interdizione o l’emissione diventa molto bassa.
Mu da solo non è un indicatore completo per un buon accoppiamento.

Potenza d’Uscita

Negli amplificatori di potenza, si può verificare che alcune valvole hanno una potenza massima superiore ad altre. Spesso questo è causato da caratteristiche differenti che muovono il punto di lavoro vicino al punto di massima potenza. A volte l’emissione effettiva del catodo può limitare la potenza.

Necessità di accoppiamento dei Tubi

Non tutti i circuiti hanno bisogno di valvole Matched e quelli che ne hanno bisogno spesso necessitano che lo siano solo alcuni parametri.

Amplificatori di basso livello e amplificatori DC

Negli amplificatori DC spesso si usano valvole Matched o con sezioni Matched (generalmente due triodi nella stessa ampolla) in modo da annullare le variazioni dovute all’invecchiamento e alla variazione della corrente di filamento. Nei circuiti audio e negli oscilloscopi, gli amplificatori differenziali sono usati per cancellare segnali d’ingresso di modo-comune. In questi circuiti il livello di reiezione di modo comune dipende dalla “strettezza” dell’accoppiamento. I controlli di bilanciamento DC possono superare eventuali squilibri nei tubi entro certi limiti, ma iniziare con tubi Matched aiuta, in special modo quando i tubi invecchiano.
Il genere di accoppiamento necessario per gli amplificatori differenziali copre quasi tutti i parametri: Corrente a riposo, Transconduttanza, Mu e Lotto di produzione.
Gli amplificatori differenziali sono usati anche come invertitori di fase ma c’è un inerente sbilanciamento in questo tipo di circuiti che rende uno stretto accoppiamento meno importante rispetto ad un amplificatore differenziale completamente bilanciato.
Nei circuiti audio, molti amplificatori a basso livello non usano circuitazioni bilanciate che richiedono valvole accoppiate.
Eccezioni tuttavia includono circuitazioni completamente differenziali, come quelle usate nei moderni circuiti con ingressi bilanciati e su qualche amplificatore di potenza come l’Acrosound UL-2 e gli amplificatori Audio Research.


Valvole in parallelo

I tubi vengono messi in parallelo per raggiungere grandi potenze (vedi Conrad Johnson ad esempio) o per fornire basse impedenze d’uscita.
La caratteristica di trasferimento (Corrente di Placca vs Tensione Negativa di Griglia) è la somma della caratteristica di ciascun tubo.
Se Mu e/o la Transconduttanza sono grossolanamente disaccoppiate, la curva di trasferimento diventa non lineare, come mostrato in Figura 1, anche se disaccoppiamenti meno grossolani, restituiscono un uscita "media" specialmente se ci sono un elevato numero di valvole in parallelo.
L’accoppiamento delle correnti a riposo non è critico in qui.

valvole-disaccoppiate.png

Figura 1: Triodi in parallelo grossolanamente disaccoppiati.

Stadi d’Uscita Push-Pull

Sono due le ragioni per cui in uno stadio Push-Pull le valvole devono essere accoppiate (Matched): per cancellare il flusso DC nel trasformatore d’uscita e per cancellare la distorsione armonica di ordine pari.
In un trasformatore correnti DC sbilanciate possono causare la saturazione del ferro, con conseguente bassa induttanza (così prestazioni in bassa frequenza degradate) e aumento della distorsione. Inserendo un traferro nel “core” del trasformatore, come accade nei trasformatori d’uscita single ended, si riduce la saturazione a scapito della bassa induttanza. Questa induttanza più bassa dovrebbe essere compensata con più giri il che aggrava i problemi di risposta in alta frequenza. Così la maggiorate dei produttori di trasformatori preferisce minimizzare il traferro e questo necessita di basse correnti DC sbilanciate. Questo è particolarmente un problema con i trasformatori d’uscita toroidali che non hanno affatto traferro.
A parte gli eventuali problemi di saturazione del trasformatore, un circuito Push-Pull perfettamente bilanciato, annulla qualsiasi distorsione armonica di odine pari (2a, 4a, 6a, etc..) che si crea nei suoi elementi di amplificazione (non annulla distorsioni armoniche di ordine pari presenti sul segnale d’ingresso). Questo è importante negli amplificatori in classe B e AB in cui le valvole si trovano all’interdizione per una parte del tempo. Così un circuito Push-Pull perfettamente bilanciato ridurrà la distorsione totale eliminando le armoniche di ordine pari. Tuttavia anche le armoniche migliori hanno un suono e le armoniche dispari, specialmente quelle di ordine superiore, forniscono un suono piuttosto duro. Così può accadere che mentre si cerca di ridurre la distorsione totale in uno stadio Push-Pull venga lasciata l’impronta sonora di una distorsione di ordine dispari.
Le correnti di riposo bilanciate sono importanti per eliminare la saturazione del trasformatore a bassi livelli di segnale. Questa è la zona in cui l’amplificatore trascorre la maggior parte del suo tempo e quindi è la più importante. Il Matching a grandi livelli di segnale è altresì necessario per evitare l’effetto “diodo raddrizzatore” che si genera quando i tubi sono sbilanciati. Quest’effetto permetterà ad un flusso DC sbilanciato di fluire e sarà proporzionale al livello del segnale.

same-mu002c-different-current.png

Figura 2: Stesso Mu, correnti differenti.


Mu (guadagno di tensione), Gm (transconduttanza) e Ra (Rp resistenza di placca o Ra di anodo sono la stessa cosa) sono le tre caratteristiche elettriche che rappresentano le caratteristiche elettriche globali di un tubo a vuoto. C'è molta confusione nella comunità degli audiofili su questi fattori e su come incidono sui tubi e sulle loro prestazioni nei componenti. Quest’ articolo, osserverà ciò che ciascuna di queste caratteristiche significa, come sono misurate e ciò che ciascuna di esse produce al suono di un componente.

Triodi e pentodi possiedono entrambi le caratteristiche di transconduttanza (Gm) e guadagno di tensione (Mu) ma vanno inquadrati in modo differente al momento dell'accoppiamento a seconda se stiamo accoppiando Triodi o Pentodi. Questi due parametri sono le caratteristiche principali che influenzano le prestazioni quando ciascuna di queste valvole viene inserita in un circuito tipico.
Chi svolge con serietà questo lavoro, prima dell'accoppiamento, esegue tutta una serie di controlli sulle valvole da selezionare.

I test in questione sono:
• Cortocircuiti
• GAS
• Emissione
• Microfonicità

superati questi controlli il tubo passa alla selezione vera e propria e se ne annotano le caratteristiche per ciascuna valvola. Una volta selezionato tutto il lotto si passa all'accoppiamento secondo specifici criteri, vediamo quali:

Triodi:
Nei Triodi c'è un’interessante iterazione tra due parametri che si relazionano per farne un terzo. Questi parametri sono legati in un rapporto tale che, conoscendone due qualsiasi, si ottiene il terzo, proprio come nella legge di Ohm. Nel caso dei Triodi, Mu = Gm x Ra.
Gm si misura in ampere per volt (mhos o anche siemens) ed Ra si misura in ohm (volt per ampere). Quando moltiplicate, le loro unità di misura si annullano, generando Mu, la misura del guadagno in tensione (senza unità di misura). Un Mu di 30 significa che quello che esce dal triodo è 30 volte più grande di quello che entra (non è esattamente 30 volte più grande ma per chiarire il concetto va bene).
Gm invece ci è utile come indicazione per conoscere la vita residua della valvola. I Triodi sono largamente utilizzati per l'amplificazione in tensione nei nostri preamplificatori. Qui, Mu (guadagno in tensione) è il parametro più importante da misurare e quello che più direttamente interessa quello che sentiamo. Se si dispone di una valvola con un Mu di 30 in un canale e un Mu di 33 nell'altro, avremo due valvole con uno sbilanciamento del guadagno del 10% dell'una rispetto all'altra, questo genererà uno squilibrio di circa 1 dB nel vostro preamplificatore creando un udibile sbilanciamento tra il canale destro quello sinistro (chiaramente con un Mu di 70, uno scostamento di 3 punti, produrrà uno squilibrio del 5% dell'una rispetto all'altra, totalmente nella norma). Per l'accoppiamento dei doppi triodi, un tester digitale ci permette di ottemperare a tutte quelle misure di cui abbiamo bisogno. Questo strumento ci consente la misura diretta di Mu e Gm e di calcolare Ra come rapporto tra Mu e Gm; consente inoltre una misura diretta della corrente di placca per ciascuna sezione così da poterne rilevare il bilanciamento.
Ra (Rp resistenza di placca o Ra di anodo sono la stessa cosa) è il secondo parametro più importante da considerare per l'accoppiamento dei doppi triodi perché influenza direttamente l'impedenza d'uscita del vostro preamplificatore. I progettisti di circuiti principalmente fanno riferimento a Mu in fase di progetto ed a Ra in seconda battuta.
Gli audiofili moderni sono più attenti che mai al "matching" delle valvole, spero che questa breve spiegazione abbia contribuito a fare maggiore chiarezza sull'argomento.
Abbiamo visto cosa succede a due valvole non accoppiate tra loro per Mu, vediamo ora cosa succede a due valvole che non sono accoppiate per Ra. Supponiamo di voler sostituire la coppia di valvole dello stadio linea del nostro PAS-3X (quello che amplifica i nostri segnali ad alto livello per capirci… CD, DVD, Tuner, etc…) e di aver trovato un venditore che ci specifica i parametri di matching delle valvole in vendita:

tabella-1



Come potete vedere, nella Tabella 1, anche se l'accoppiamento del guadagno risulta quasi perfetto, le due Ra (ricavate come Mu/Gm) sono molto sbilanciate rispetto a quelle dell'altro tubo. Lo scarto tra i due valori è di circa 10K. Questo scarto è una differenza del 20% (su 50K una differenza di 10K è il 20%). Questa differenza è talmente elevata che influenzerà negativamente l'impedenza d'uscita del vostro preamplificatore, creando anche stavolta un udibile sbilanciamento tra il canale destro e sinistro del vostro impianto Hi-Fi (in sostanza quando ascolterete la musica un diffusore suonerà più forte rispetto all'altro).
Qui a Dynakitfriends prestiamo particolare attenzione al matching delle valvole perché riteniamo che sia un parametro da non trascurare all'interno della catena d'ascolto.
Utilizziamo sostanzialmente tre o quattro Tube Tester calibrati per selezionare le valvole a seconda della tipologia di tubo e dividiamo il processo in tre fasi distinte.
La prima la eseguiamo con un Superior Instruments TV-11, con cui si effettuano gli Short Test e la misura dell'isolamento interno alla valvola, il test dell'emissione, di microfonicità nonché un preriscaldamento del tubo per portarlo a temperatura ottimale.



La seconda sull'Hickok 750, o sul Funke W19 con cui misuriamo GAS, Gm e correnti.

hickok-750-tube-tester


La terza sul nostro tester digitale, con cui misuriamo il guadagno Mu.

tube-imp-tube-tester


I risultati ottenuti vengono annotati ed inseriti in un foglio elettronico che ne seleziona le coppie Matched secondo i criteri prestabiliti.

Nella foto che segue, un esempio del matching che abbiamo realizzato per delle Shuguang ECC83/12AX7.

matching-shuguang-ecc83


Pentodi:

Nei Pentodi a differenza dei Triodi i parametri da tenere in maggiore considerazione per gli accoppiamenti sono Gm e Ia.
Il grado di accoppiamento richiesto da uno stadio di uscita Push-Pull in classe AB è dato dal grado di complessità dei circuiti di bias e pilota. Se non vi è una regolazione del bias o c’è una singola regolazione del bias per ciascun canale (come nei Dynakits ad esempio) allora il matching della corrente a riposo per i tubi d’uscita è di grande importanza.
Ciascun sbilanciamento delle costanti a riposo genererà un flusso DC verso il trasformatore d’uscita. Se c’è una regolazione del bias per ciascuna valvola o una regolazione del bilanciamento (a volte chiamato bilanciamento DC) allora il matching delle correnti a riposo è molto meno critico ed è necessaria solo una similitudine globale delle caratteristiche delle valvole a patto che il trasformatore di alimentazione riesca a compensare gli sbilanciamenti dei tubi.

Nella foto sotto, possiamo osservare come durante la selezione di alcune Shuguang GE KT88, l’indicatore SHORTS è illuminato e ciò indica un cortocircuito interno alla valvola sotto test. Il tubo viene scartato e non raggiunge la fase di accoppiamento vera e propria.
Questa è una situazione che generalmente non dovrebbe verificarsi su valvole che hanno già superato il processo di selezione in casa madre, tuttavia l'esperienza insegna che è una condizione non così remota.

kt88_test


Nelle foto successive invece, il Test vero e proprio.
Dopo aver eseguito i test Gas e SHORTS si misura la Transconduttanza (Gm) e la Corrente Anodica (Ia). I risultati ottenuti vengono annotati ed inseriti in un foglio elettronico che ne seleziona le coppie o i quartetti Matched secondo i criteri prestabiliti.

kt88_test_3




Continua……