Distorsione nei finali valvolari

Come negli articoli precedenti, anche qui, ho utilizzato una visualizzazione dei dati in stile analizzatore di spettro poiché mi è sembrato il sistema più intuitivo utilizzando delle barre colorate come descritto sotto e me ne scuso se per qualcuno è la terza volta che le legge, ma è utile per chi non ha letto i precedenti articoli.
Nelle tabelle la barra verde è la nostra fondamentale e quindi la nota che stiamo suonando, mentre con le barre rosse indichiamo le ottave superiori della fondamentale e quindi armoniche pari, con le barre azzurre le armoniche dispari e infine con le barre arancioni altre armoniche pari che però sono note diverse da quella che stiamo suonando. Se non fossi stato chiaro, considerate in maniera positiva l’apporto della barra verde e delle barre rosse e in maniera negativa quello delle barre azzurre e arancioni.

Il circuito rappresentato sotto è la riproduzione sul software prima citato dello stadio finale di un piccolo valvolare da 5 watt regolarmente in commercio. Naturalmente modificando i valori di tensione d'alimentazione e dei componenti del circuito si ottengono risultati diversi sia di risposta in frequenza, sia di potenza erogata, sia di armoniche riprodotte, ma in questo caso occorre tenere conto della dissipazione a riposo del tubo che altrimenti rischierebbe di bruciarsi.

Intanto dallo schema si possono notare, oltre i valori dei componenti e le tensioni d’alimentazione, anche la resistenza del primario del trasformatore d’uscita (TP1) che io ho calcolato con un valore di 150 ohm ed è rappresentata in grigio chiaro. Il suddetto software mi ha anche avvertito che la polarizzazione della valvola è effettuata fuori dai limiti di dissipazione quindi facendola durare molto meno per pochi decimi di watt in più. Un valore più corretto di resistenza catodica sono 270 ohm anziché 220.
I 5 watt dichiarati sono riferiti a una distorsione totale di oltre 8% ma la massima potenza erogata, in linea teorica è di circa 7,5 watt con il 32% di THD e quindi oltre il valore nominale.
Detto questo, si può intuire uno dei motivi per cui un 5 watt valvolare ci suoni più forte di un 5 watt a transistor. Un altro motivo e sicuramente più importante è che il finale saturando in maniera musicale permette lo sfruttamento della distorsione sull’attacco della nota che ha un’ampiezza di segnale molto più ampia della parte sostenuta permettendo quindi un maggior sustain e una sensazione acustica di potenza maggiore.
In un ampli a transistor tradizionale invece il clipping del finale produce uno sgradevole rumore obbligandoci a rimanere nella parte esente da distorsione abbassando quindi i volumi e di conseguenza perdendo gran parte del sustain ed è per questo che è preferibile utilizzare ampli a transistor di alta potenza.

La prima tabella riporta le armoniche in una situazione di suono pulito con uscita a 1,5 watt efficaci o rms e THD di circa 4%.
Ora andiamo a osservare il nostro analizzatore di spettro virtuale per verificarne la quantità e il tipo d’armoniche generate. Essendo il dB, un’unità di misura relativa occorre fare la differenza tra il valore della fondamentale e, ad esempio, la 2° armonica che in questo caso vale 28 dB (131 dB (f) - 103 dB (2°)) per capire quant’è il contributo in ampiezza di ogni armonica. Abbiamo quindi detto che la 2° armonica è a -28 dB dalla fondamentale mentre, ripetendo il calcolo, la 3° armonica è a -46 dB. Come si può notare la presenza delle armoniche è molto bassa e con andamento decrescente ma con la presenza sia d’armoniche pari sia dispari.

Nella tabella sotto riportata abbiamo la saturazione con uscita sul cono a 5 watt efficaci e THD di oltre 8%.
Osserviamo il nostro analizzatore di spettro virtuale per verificarne la quantità e il tipo d’armoniche generate in questa nuova situazione. Ripetendo i calcoli abbiamo quindi la 2° armonica è a -23 dB dalla fondamentale mentre la 3° armonica è a -28 dB. Come si può notare la presenza delle armoniche è relativamente bassa anche se superiore al caso precedente, con andamento decrescente ma con la presenza ancora sia d’armoniche pari sia dispari.

Infine nell’ultima tabella abbiamo invece la saturazione con uscita sul cono alla massima potenza erogata, in linea teorica, che equivale a circa 7,6 watt efficaci con THD al 32%.
Ripetendo il calcolo della differenza tra la fondamentale fissata a 400 hz e le altre armoniche abbiamo la 2° armonica a -12 dB dalla fondamentale mentre la 3° armonica è a -15 dB. Come si può notare la presenza delle armoniche è enormemente cresciuta a pari passo della relativa distorsione, con andamento decrescente e sempre con la presenza sia d’armoniche pari sia dispari.

Osservazioni durante il test: con questa simulazione ho osservato un segnale senza clipping fino alla potenza nominale di quasi 6 watt con prevalenza di 2° armonica e distorsione totale che non supera il 10%, sovra pilotando il finale si ottiene un clipping asimmetrico e aumentano un po’ le armoniche dispari raggiungendo come già detto il 32% di THD, superando infine questa soglia continua ad aumentare la distorsione totale che può superare il 60% mentre diminuisce la potenza erogata scendendo anche a 4 watt.
Conclusioni finali: come si può notare, anche nel caso di un finale di potenza a pentodo abbiamo la presenza d’armoniche pari e dispari sia in una situazione di finale in regime lineare dove il contributo delle armoniche è limitato, sia in quella di saturazione dove cresce di molto e abbastanza progressivamente la distorsione e tutte le armoniche.
E' quindi il mix d'armoniche pari e dispari in una valvola che ci fa apprezzare di più o di meno un certo suono rispetto a un altro.
Vorrei far presente che i triodi, normalmente usati nei circuiti di preamplificazione lavorano sempre in classe A, ed è per questo che ci sono grosse analogie tra la distorsione del preampli a triodo e quella di un finale a pentodo di questo tipo.
Paradossalmente però essendo il pentodo, un componente più complesso poiché ha cinque elementi al suo interno anziché i tre del triodo, da cui i nomi, le sue caratteristiche lo fanno assomigliare di più a quelle di un transistor, sia esso NPN, PNP, JFET o MOSFET.
Nelle risorse potete scaricare l'articolo completo delle sezioni precedenti e il riferimento al primo articolo che riguarda la valvola del preamplificatore.
La prossima volta vedremo come l'utilizzo di un altoparlante, piuttosto che un altro, possa incidere sul risultato finale.
Ciao e buona lettura.