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Matched ma per cosa?

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. Vedremo anche il test delle valvole, l'accoppiamento (matching) e quali caratteristiche sono importanti in caso di accoppiamento, come queste misure sono applicate e la loro diversa rilevanza per triodi e pentodi. Triodi e pentodi possiedono entrambi le caratteristiche di transconduttanza (Gm) e guadagno di tensione (Mu). Tuttavia quello che è importante nei triodi è Mu mentre quello che è importante nei pentodi è Gm. Questi due parametri sono le caratteristiche principali che influenzano le prestazioni quando ciascuna di queste valvole viene inserita in un circuito tipico.
Chi svolge seriamente questo lavoro, prima dell'accoppiamento, esegue tutta una serie di controlli sulle valvole da selezionare.
I test in questione sono:

  • Cortocircuiti
  • GAS
  • Emissione
  • Microfonicità
Dopo questa serie di controlli si passa alla selezione di ciascun tubo annotandone le caratteristiche e poi 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, se ne ottiene un 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.
Vediamo di fare un esempio concreto .... supponiamo che abbiate acquistato due doppi Triodi accoppiati solo per Gm. Alla luce di quanto esposto sin ora, non vi è alcuna certezza che questi due tubi avranno un egual guadagno in tensione. Il guadagno in tensione Mu si può calcolare anche come il prodotto tra Gm ed Ra. Così se Gm è accoppiata, per ottenere un Mu accoppiato (la caratteristica più importante in queste valvole) Ra dev'essere anche accoppiata, ma Ra in genere non viene mai misurata ne fornita, come anche Mu. Se il venditore misura Gm, dovrebbe fornire anche la Ra, in modo che si possa calcolare Mu con una semplice moltiplicazione. La ragione per cui in genere non viene fornita Ra è che nessun prova valvole d'epoca l'ha mai misurata.
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, anche se raramente sanno cosa è importante che sia accoppiato e a che. Spero che questa breve spiegazione abbia contribuito a fare maggiore luce sull'argomento.
Gm ed Mu sono un esempio perfetto.

Abbiamo già 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).
Riassumendo quindi, è importante che i Doppi Triodi per il vostro preamplificatore siano accoppiati prendendo in considerazione quanto esposto con una tolleranza Max rispettivamente del 5% e 10%.

Concludendo, quanto segue mostra come realizziamo gli accoppiamenti. Utilizziamo tre Tube Tester calibrati con tubi di riferimento per selezionare le valvole.

La prima fase la eseguiamo con un Superior Instruments TV-11, con cui effettuiamo un Burning preliminare. Portiamo il filamento alla temperatura di lavoro ottimale ed eseguiamo uno Short Test, il test dell'emissione e quello di microfonicità.


TV-11 Superior Instruments

Poi il tubo passa sull'Hickok 750, con cui misuriamo GAS, Gm e correnti.

Hickok 750 Tube Tester


In fine la valvola transita sul nostro tester digitale, con cui misuriamo il guadagno Mu.


Tube Imp Tube Tester


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

Nella foto che segue, un esempio del matching che ho realizzato per delle Shuguang ECC83/12AX7. Come si può osservare i valori di selezione vengono poi inseriti all’interno di un foglio elettronico per formare le Matched Pair.

matching-shuguang-ecc83

Tube Matching

Quanto in seguito verrà descritto è tratto e tradotto da un articolo che comparve sul secondo numero della rivista Vacuum Tube Valley nel 1995. Poiché quanto trattato ha radicalmente influenzato da allora la mia linea guida per gli accoppiamenti e le selezioni, ho creduto fosse gradito condividere con gli appassionati che ci seguono su quanto c’è da sapere circa il Matching (Accoppiamento) delle valvole.
Molto del materiale che verrà illustrato è stato presentato al Meeting della Bay Area Tube Enthusiast il 24 Giugno 1945 a San Francisco, CA.

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
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 Mu, different current
Figura 2: Stesso Mu, correnti differenti.

Il grado i accoppiamento richiesto da uno stadio di uscita Push-Pull è dato dal grado di complessità dei circuiti di bias e pilota. Se non vi è una regolazione del bias (come in molti amplificatori economici o in alcuni ricevitori come il Fisher 500) 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 fondamentale.
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, un esempio di selezione (fase che precede il Matching vero e proprio) realizzato su delle Shuguang GE KT88. Come si può osservare l’indicatore SHORTS è illuminato e ciò indica un cortocircuito interno alla valvola sotto test. Il tubo verrà scartato e non raggiungerà 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 ci insegna 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 di selezione della valvola, vengono annotati e si useranno in seguito per cercare un’altra valvola dalle stesse caratteristiche in modo da poter formare una coppia selezionata (Matched Pair) o altre valvole per formare un quartetto selezionato (Matched Quad).

kt88_test_3

L’IMPORTANZA DEL RODAGGIO DELLE VALVOLE:
Un articolo apparso sulla rivista “Costruire HiFi” di giugno 2012, riguardante le informazioni minime da conoscere sulle valvole termoioniche per bassa frequenza fece luce su molti dei dubbi che attanagliano la mente degli appassionati. Credo che l’articolo possa essere ancora oggi di comune interesse per molti lettori ed ho pensato potesse essere utile riportarlo qui su queste pagine:

“Assai spesso si parla della necessità di rodare le valvole prima di poterne ottenere le massime prestazioni. Spieghiamo qui brevemente il perché della necessità di tale periodo preliminare d’uso.
Dalla teoria sui tubi già esposta, sappiamo che la deposizione dell’ossido sul filamento, per le valvole a riscaldamento diretto, od equivalentemente sul catodo, per quelle a riscaldamento indiretto, non può mai essere assolutamente perfetta: ciò significa che vi saranno di certo delle zone maggiormente efficienti in confronto ad altre. La conseguenza e che il tubo in tali condizioni non rispetta le specifiche di progetto secondo le quali il dimensionamento fisico degli elettrodi era calcolato prevedendone un’assoluta costanza di comportamento lunga tutta l’estensione. A seguito della mancata uniformità dello strato di ossido si viene in realtà a creare una marcata caoticità nel flusso degli elettroni e non è difficile rendersi conto che ciò, compromettendo la linearità comportamentale del componente attivo, non può che interagire negativamente sul suono; cercheremo di far comprendere quanto accade attraverso un semplicissimo esempio. Immaginiamo una quadriglia, cioè un cocchio trainato da quattro cavalli; il regolare avanzamento del mezzo, che ricordiamolo è a due sole ruote, è garantito esclusivamente dalla uniformità del traino: qualora uno degli animali sia più irruento degli altri si otterrà un incedere irregolare, tanto nella velocità, quanto e soprattutto nella direzione. Man mano però che i cavalli si stancano, sarà maggiormente provato quello che più degli altri, a seguito della sua esuberanza, ha esercitato una più alta forza di traino; ciò comporta che, intercorso un primissimo lasso di tempo, è ragionevole ipotizzare una migliore distribuzione dello sforzo.
Questo è quanto, né più né meno, accade per un tubo durante il periodo di rodaggio: le aree del catodo maggiormente ricche di ossido, e pertanto caratterizzate da un superiore potere emissivo, subiscono un più rapido esaurimento che tende a livellare il rendimento dell’elettrodo lungo la sua superficie: più è estesa quest’ultima, cosa che si verifica nei tubi di potenza, più l’effetto equilibratore del rodaggio è marcato. E’ questo il motivo per il quale i tubi finali hanno bisogno di un rodaggio più lungo e la sua efficacia è maggiore. E’ evidente anche che un tubo realizzato con tolleranze strettissime, cosa che in realtà oggi si verifica con frequenza sempre minore, ha bisogno di un periodo di tempo relativamente breve per potere esprimere al massimo le proprie capacità.
Quanto analizzato per il filamento o il catodo si verifica anche per l’anodo, la superficie del quale è spesso arricchita con opportuni depositi, frequentemente grafite, in modo da aumentare la capacità di irraggiamento termico, con conseguente accrescimento della dissipazione, e ridurne l’emissione secondaria.


DURATA DEL RODAGGIO DELLE VALVOLE:

Operiamo, innanzi tutto un imprescindibile distinguo: i tubi di segnale esibiscono, nei confronti del rodaggio, un comportamento notevolmente differente rispetto a quelli di potenza; inoltre nell’ambito di questi ultimi è necessario effettuare un’ulteriore divisione, differenziando quelli a riscaldamento indiretto rispetto a quelli a riscaldamento diretto.
Iniziamo dalle valvole deputate all’amplificazione di segnale e al pilotaggio, cioè da quella la cui dissipazione anodica generalmente non eccede qualche Watt: tali prodotti necessitano di un rodaggio estremamente breve. Volendolo quantizzare, dobbiamo necessariamente operare un’ulteriore suddivisione: per le valvole NOS, prima di poterne giudicare il suono, è opportuno che trascorra un periodo pari a circa 10/25 ore, mentre per i prodotti di recente realizzazione tale tempo si raddoppia per quelle di provenienza cinese e si triplica addirittura per quella di fabbricazione russa. Queste differenze sono dovute alle diverse tecniche costruttive.
Passiamo ai tubi di potenza a riscaldamento indiretto, quali per esempio la diffusissima EL34 o piuttosto le potenti 6550 e KT88: in questo caso i tempi di rodaggio si mantengono nello stesso ordine di grandezza di quelli da osservare per i tubi di segnale, o poco più, nel caso dei prodotti NOS, mentre si duplicano almeno, qualora si tratti di realizzazioni recenti. Anche in questo caso, resta in essere la differenza tra la produzione cinese e quella russa. Parliamo sempre di valvole di alta qualità (prima scelta e matchate).
La valvola 6C33 russa e la replica cinese della KT66, secondo la nostra esperienza, meritano un discorso a parte: per la prima, il periodo di rodaggio è lunghissimo, non meno di 200 ore, mentre per la seconda è incredibilmente assai più breve; infatti si può valutare che il suono approssimi ottimamente quello definitivo già dopo una cinquantina di ore.
Veniamo infine alle valvole a riscaldamento diretto. La 2A3 a la 300B richiedono un periodo di rodaggio, variabile da costruttore a costruttore (sempre più contenuto per le realizzazioni NOS e più elevato per quelle recenti), che va da un minimo di 50 ad un massimo di 100 ore. Questi tempi si allungano di circa il 50% ed anche notevolmente di più nel caso di valvole con la placca molto estesa, quali la 211 e la 845, e qualora l’anodo sia realizzato in titanio.”

Si può aggiungere in fine che per ottenere che il rodaggio dia il suo reale effetto, superate tali ore di suono di rodaggio, l’amplificatore va ritarato nella sua componente di corrente di BIAS delle valvole finali.


Continua……