In questo articolo abbiamo approfondito teoricamente il concetto di impedenza, ora vediamo alcune applicazioni. Ci baseremo sulla simulazione di una serie di circuiti reali. In articoli successivi questi circuiti verranno misurati e se possibile con artifizi circuitali migliorate le prestazioni.

6080 Stabilizer

Nello schema vediamo un alimentatore ad alte tensione ibrido che usa come elemento serie un doppio triodo 6080.

La simulazione dell’ impedenza è quasi da manuale lineare ben oltre i 10 KHz.

Alimentatore HT

Alimentatore serie zener e mosfet, un classico anche se piuttosto curato come rumore.

Questo schema con alcune varianti lo vedremo spesso nelle nostre realizzazioni.

Impedenza di uscita da manuale.

PSU Moduli JFET regolatore anodica

Alimentatore zener e mosfet per generare una tensione anodica di 80-90 V per un preamplificatore ibrido. In particolare si tratta di una RIAA cascode (1) che necessita un basso rumore di alimentazione. Quindi sono stati introdotti filtraggi spinti vedi R4 e C6.

Sopra possiamo vedere l’ impedenza di uscita di questo regolatore, lo scalino che vediamo è di pochi centesimi di Ohm… la risposta è molto lineare.

PSU Moduli JFET 28V

Classico alimentatore con LM317, nel nostro caso costruito attorno a LT317.

La scelta è dovuta alla bassa fedeltà dei modelli LM317 circolanti.

PSU Moduli JFET 28V LT1085

Visti le ottime simulazioni dell’ alimentatore con 6080 testiamo anche quà LT1085.

Supereg Duale impedenza di uscita

La figura mostra lo schema della sezione positiva del regolatore. Si tratta di uno schema convenzionale semplice ma di ottime prestazioni.

La simulazione della curva di impedenza fino a 2000 Hz ha un andamento abbastanza strano, come se l’ operazionale non riesca a prendere il controllo del circuito. Dopo l’ impedenza prosegue con un andamento normale.

Trattandosi di un circuito molto classico e documentato nella letteratura non ci preoccupiamo della simulazione.

Forse basta fare un qualche test con opa diversi…. magari LT.

Alimentatore LM317 LT3080

Sopra vediamo lo schema applicativo con un pregiato LT3080 (della versione LM317 parliamo in un altra sezione).

Osservando l’ impedenza vediamo che il regolatore fino ad 1 KHz non ha il controllo della stabilizzazione. Dopo l’ impedenza prende un andamento molto regolare.

Nulla di preoccupante conoscendo il principio di funzionamento dell’ integrato.

Al momento soprassediamo sulla simulazione (2)

Conclusioni

Abbiamo iniziato ad introdurre l’ argomento con una serie di simulazioni di circuiti reali. A volte le simulazioni danno risulti contraddittori, in molti casi dovuti al modello del regolatore. Il passo successivo è verificare il risultato sul campo con una serie di misure di laboratorio. L’ argomento è abbastanza ostico lo amplieremo con futuri articoli e video.

L’ impedenza non è l’ unico per valutare un regolatore…. per il momento ci concentreremo su questo.

Note

(1) la circuitazione cascode ha una bassa reiezione di alimentazione quindi richiede un alimentazione molto pulita

(2) in futuro per la stesura del libro approfondiremo questo comportamento del modello parlandone anche con ADI

L’impedenza cos’è?

Introduzione

Questa è la domanda a cui tenteremo di rispondere in questo articolo. Nei prossimi articoli tratteremo l’ impedenza di uscita degli alimentatori e dobbiamo chiarire il concetto. La trattazione sarà un minimo semplificata in quanto non useremo la rappresentazione sul piano complesso (1).

La teoria

Il termine impedenza viene usato nel linguaggio di tutti i giorni confondendo la definizione elettrica con l’ uso comune del termine.
Lo studio dei fondamentali dell’ elettrotecnica e elettronica permette di comprendere intimamente i fenomeni che avvengono nei nostri circuiti.

In termini elettrici l’ impedenza viene definita come il rapporto fra la tensione ai capi di un bipolo e la corrente che lo attraversa secondo la relazione :

Z = V / I dove

Z = impedenza misurata in Ohm

V = tensione ai capi del dispositivo misurata in Volt

I = corrente attraverso il dispositivo misurata in Ampere

Questa definizione può essere applicata a qualsiasi dispositivo a due terminali quali una resistenza, un condensatore oppure una pista di massa.

Per un dispositivo a due terminali l’ impedenza viene definita come nella figura sotto:

Se ad esempio abbiamo 50 V ai capi del dispositivo e questo viene
attraversato da una corrente di 1 A, otteniamo Z = 50 / 1 = 50 Ω
Indipendentemente dal tipo di dispositivo a cui ci si riferisce l’ impedenza viene sempre misurata in Ω, sia nel domino della frequenza che del tempo.
Un aspetto dell’ impedenza su cui spesso si fa confusione è di pensare che sia puramente resistiva, nel caso di una resistenza ideale i due valori coincidono Z = R

A parità di tensione applicata intuitivamente scorre “poca” corrente se l’ impedenza è alta e viceversa.

Oltre che alla singola resistenza il concetto di impedenza viene applicato nella tecnica ad un condensatore ideale, un’ induttanza ideale, un cablaggio. A volte in questo caso si parla di impedenza AC.

Esistono due concetti estremi di impedenza:
● dispositivo aperto a parità di tensione applicata non circola corrente Z = 1 / 0 = Ω infiniti (non misurabili)
● dispositivo in cortocircuito circola una corrente molto alta Z = 0 / 1 = 0 Ω

Simulazione

Simulare il profilo di impedenza di diversi tipi di circuito è essenziale nella progettazione delle alimentazioni.

Questi circuiti sono facilmente analizzabili con LTSpice e QUCS che sono programmi “free”. In alcuni casi può essere utile anche SIMetrix/SIMPLIS Elements che è la versione di valutazione.

Come vediamo nella figura sopra basta usare un generatore di corrente costante settato in ac per una corrente di 1A e fase 0.

La tensione ai capi del generatore di corrente dipende dall’ impedenza del carico R2 (che in questo caso usiamo per indicare un impedenza generica).

La tensione vale:

V = I(f) x Z(f) = 1 x Z(f) = Z(f)

Dove:

V = tensione generata ai capi del generatore di corrente in Volt

I(f) = corrente del generatore, 1 A costante in regime sinusoidale

Z(f) = impedenza connessa ai capi del generatore, misurata in Ohm

La corrente di 1 A permette di leggere l’ impedenza direttamente in Ohm al variare della frequenza.

R1 da 1 TOhm collegata ai capi del generatore di corrente serve ad impedire a Spice segnalare un errore. Spice necessita di avere un percorso in DC verso massa per ogni nodo.

Applicazioni

Ogni alimentatore (lineare o switching che sia) ha una sua impedenza di uscita che varia in funzione della frequenza. Questo è fondamentale per valutarne il suo funzionamento in termini statici e dinamici.

A noi interessa capirne l’ influenza in campo audio quindi svilupperemo il concetto in una serie di articoli.

Spiegando il comportamento dei regolatori in esame con una serie di simulazioni applicate ad alimentatori reali.

Successivamente faremo una serie di misure di verifica in attesa dei relativi video.

PS: molti alimentatori li troverete in questo elenco

(1) Per una definizione più classica fare riferimento ai testi sacri di elettrotecnica

Immaginiamo di avere un amplificatore PPP di 6080 che per essere
pilotato necessita di almeno 5 Vrms per funzionare a piena potenza.
Occorre inserire nella catena un preamplificatore. Si sceglie di usare
un SRPP di 6H8C (valvola russa nos che può essere sostituita con la
6SN7).

Un poco di storia

La configurazione SRPP nasce negli anni 40 e viene impiegata nei
modulatori televisivi. La diffusione in hi-fi avviene negli anni 60 in
Giappone e arriva in Europa anche grazie all’ “Audiophile”.

Che pubblica i progetti dei più famosi progettisti giapponesi.

Sviluppo progetto e simulazione

Ipotizzando di usare una tensione anodica di 300 V stabilizzata
essendo i due triodi uguali si sceglie di polarizzare la valvola
inferiore a 300 / 2 =150 V.
Disegnando una retta verticale sulle caratteristiche anodiche della
6H8C otteniamo il risultato che possiamo vedere sotto.

Il punto di lavoro del triodo inferiore sarà V a = 150V,
V g = -4V, Ia = 6.2 mA.

La resistenza R a vale 4 / 0,0062 = 645 Ω che si arrotonda a 680 Ω;
facendo una prima simulazione con LTS.

Usando il modello della 6H8C ricaviamo il punto di lavoro statico.

Otteniamo V R3 = 6,05 V e I R3 = 8,9 mA; valori accettabili.
La tensione sull’ anodo della U 2 risulta di 150 V esatti.

Sopra vediamo lo schema usato per la simulazione; dove
dobbiamo ancora determinare alcuni valori.
Imponendo una frequenza di taglio di 10 Hz C 2 è dato dalla:
C 1 = 1 / (6,28 × R 3 × f) = 1 / (6,28 × 680 × 10 ) = 23,4 uF
arrotondiamo a 33 uF (abbiamo trascurato la resistenza vista verso la valvola).

Analogamente C 2 vale:
C 2 = 1 / (6,28 × 100000 × 10) = 0,159 uF che arrotondiamo a 220 nF
In entrambe i casi si è semplificato ignorando la resistenza vista
verso le valvole.
Dalle caratteristiche del tubo 6H8C abbiamo g m = 3 mA / V, u = 21.5
Sapendo che R p è data dalla:
R p = u / g m = 21,5 / 3 = 7,16 kΩ
La simulazione della risposta in frequenza risulta quella mostrata nella figura sotto.

Dove possiamo vedere che il guadagno è di circa 22 dB e la banda
passante piuttosto ampia.
Facendo l’ FFT dell’ uscita e abbiamo l’ andamento della THD (0,15%) come possiamo vedere sotto (1).

Togliendo il condensatore C 1 (basta portare la capacità a 1f, 1 femto
Farad senza toglierlo fisicamente dallo schema) introduciamo una NFB locale nello stadio che porta ad una diminuzione del guadagno come possiamo vedere sotto.

Introducendo feedback locale la THD (0,073%) diminuisce drasticamente rispetto a quella con condensatore di catodo.

Equazioni fondamentali

Sulla configurazione SRPP sono stati fatti studi e scritte tante parole,
un riassunto sintetico delle regole di progettazione:
R a = R ak
R a = 1 / g m per il massimo swing di tensione
R a = 3 / g m per il massimo guadagno di tensione
R a = (R p + 2R L ) / (u – 1) per la minima distorsione
I q = V b + / (4 × (R p + R L + R ak )) per la massima simmetria

Verifica progetto

Per scrupolo facciamo una verifica anche con Tubecad e I risultati
sono visibili sotto e coincidono con le simulazioni precedenti.

Preamplificatore completo

Ora disegniamo lo schema dell’ intero preamplificatore per poterlo
costruire. Lo schema dell’ alimentatore lo possiamo vedere sotto in figura.

Il trasformatore ha un secondario a 300 V e una presa a 285 V per futuri utilizzi con elettroniche con tensioni piú basse. I diodi del ponte raddrizzatore impiegati sono di tipo soft fast (per avere un minore rumore visto che si tratta di un preamplificatore) con relativo condensatore di filtraggio.

I condensatori di filtraggio sono già previsti in serie, con le relative resistenze di il bilanciamento. La sezione stabilizzatrice ha una struttura piuttosto classica regolatore serie zener e mosfet.

Trattandosi triodi a riscaldamento indiretto si alimentano in AC.

Il filamento della valvola alta è “sollevato” con un partitore collegato all’ anodica.

Nelle due figure sopra possiamo vedere il preamplificatore completo, è previsto uno stadio per la commutazione degli ingressi. In questo stadio è previsto l’ uso di relè a doppio scambio; quando il relè è a riposo gli ingressi sono collegati a massa.

Sviluppi futuri

Questo preamplificatore è un progettino fatto per un amico in passato vedremo come replicarlo facilmente usando stampati disponibili.

Alcuni sono in laboratorio altri arrivano in settimana… nel prossimo articolo vedremo come costruire il preamplificatore.

Tiziao

(1) Come si ricava la THD sarà argomento di un prossimo articolo o video