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Il bias delle valvole spiegato
Il bias delle valvole spiegato
di [user #116] - pubblicato il

Cos'è il bias, come si regola e come modifica il suono di un amplificatore. Mettiamo ordine nei temi più scottanti del mondo valvolare con la collaborazione di Francesco De Nigris di NGR Pedals.
Quando arriva il momento di cambiare le valvole di un amplificatore, nascono mille dubbi su quali scegliere e che precauzioni prendere. Dovrebbe ormai essere noto a tutti che una valvola non vale l'altra e che, se non si sa perfettamente quello che si va a fare, il rischio è di rovinare l'amplificatore, oltre di farsi male seriamente a causa delle alte tensioni in ballo.
Quando si parla di bias, il supporto di un tecnico è cruciale ma, per conoscere meglio di cosa si tratta e cosa implica per il nostro suono, abbiamo contattato Francesco De Nigris di NGR Pedals, che ci guida alla scoperta di uno dei punti più discussi ma allo stesso tempo più confusi dell'amplificazione valvolare per chitarra. Cediamo a lui la parola.

Il bias delle valvole spiegato

Scrive Francesco De Nigris: Il bias è un argomento di cui si sente parlare tanto ma del cui significato, in realtà, pochi sono davvero a conoscenza. Spero che mi perdonerete se userò una terminologia non esattamente scientifica e rigorosa: lo scopo di questo articolo non è quello di essere pubblicato in un trattato di elettronica, ma piuttosto di divenire una fonte di chiarimento, fruibile da tutti, sul funzionamento di un amplificatore a valvole.

Letteralmente, per bias si intende il punto di polarizzazione elettrica di componenti elettronici attivi, siano essi transistor, integrati o valvole termoioniche. Cioè i valori delle tensioni dei vari piedini di un dato componente attivo  che ne permettono il funzionamento ottimale in un particolare circuito. 
Limitandoci solo alle valvole, proverò ora a spiegare a grandi linee il loro funzionamento.

Per semplicità mi riferirò a un triodo, cioè una classica valvola di preamplificazione tipo 12AX7 (che in effetti è un doppio triodo, in quanto al suo interno sono presenti due distinti triodi). Un triodo è composto da tre elementi principali: l’anodo, il catodo e la griglia. Questi elementi non sono in contatto tra di loro, risiedono all’interno dell’involucro di vetro della valvola stessa e sono collegati al mondo esterno tramite i piedini della valvola. Un altro elemento sempre presente in un classico triodo è il cosiddetto filamento, ossia quel piccolo conduttore che vediamo illuminarsi all’interno delle valvole quando accendiamo un amplificatore.

Il bias delle valvole spiegato

Il filamento è situato (sempre senza punti di contatto con altri elementi) all’interno catodo (che ha in genere la forma di un cilindro cavo) e ha la funzione di riscaldare il catodo stesso: questo riscaldamento del catodo permette, grazie all’effetto termoionico (emissione spontanea di elettroni se sottoposti a riscaldamento) caratteristico dei metalli, un passaggio di elettroni nel vuoto presente tra il catodo e l’anodo. Per facilitare tale passaggio, il catodo viene ricoperto di una sostanza che favorisce l’emissione degli elettroni. Questo movimento di elettroni dal catodo all’anodo costituisce una corrente elettrica. Nel caso delle valvole l’anodo (indicato spesso col termine inglese di plate) viene caricato positivamente rispetto al catodo tramite il circuito di alimentazione dell’amplificatore e di conseguenza gli elettroni (che hanno carica negativa) si muoveranno dal catodo all’anodo, dato che le cariche negative vengono attratte da quelle positive. Il terzo elemento, la griglia, è posto tra il catodo e l’anodo in forma di spirale metallica e ha la funzione di regolare quanta corrente scorra tra il catodo e l’anodo: una sorta di rubinetto (o valvola appunto). Quando la griglia è sufficientemente carica negativamente rispetto al catodo, gli elettroni liberati dal catodo stesso per effetto termoionico verranno completamente respinti dalla griglia (come le cariche opposte si attraggono, così quelle uguali si respingono) e non ci sarà passaggio di corrente (situazione detta "di cutoff"), mentre quando la griglia sarà caricata positivamente rispetto al catodo gli elettroni verranno attratti dalla griglia stessa che ne permetterà il passaggio sino all’anodo, anch’esso carico positivamente rispetto alla griglia. Continuando ad aumentare il voltaggio applicato alla griglia si raggiungerà un punto, dipendente dalle caratteristiche della valvola e detto "di saturazione", in cui il passaggio di corrente non aumenterà più.
Misurando i voltaggi di saturazione e cutoff e facendone la media si ottiene il valore della tensione da applicare alla griglia per avere il corretto funzionamento del triodo: in pratica un punto di equilibrio a metà tra il non funzionamento e la saturazione. Il bias è appunto il termine che indica la tensione elettrica da applicare alla griglia per il corretto funzionamento della valvola in un dato circuito.

In un triodo 12AX7 di un classico ampli a valvole, l’anodo è in genere carico a circa 280-300 V, la griglia è posta sempre a 0 V e il catodo a circa 2 V: come è facile intuire, la griglia è lievemente negativa rispetto al catodo (-2 V) e l’anodo è positivo sia rispetto alla griglia sia al catodo. In questo modo non tutti gli elettroni provenienti dal catodo verranno respinti dalla griglia in quanto la sua tensione rispetto al catodo non è sufficientemente negativa da bloccare il passaggio di corrente. Questo piccolo passaggio di corrente corrisponde allo stato di quiete dell’amplificatore quando non è presente nessun segnale di ingresso.
In un amplificatore a valvole, il segnale di ingresso proveniente dalla chitarra (che non è altro che una piccola tensione variabile generata dai pickup) viene applicato alla griglia della prima valvola di preamplificazione: le piccole variazioni di tensione generate dai pickup altereranno la tensione della griglia rispetto al catodo permettendo così un passaggio di corrente variabile che rispecchierà il segnale proveniente dalla chitarra. Cioè gli elettroni verranno respinti o attirati verso l’anodo in modo congruo col segnale prodotto dalla chitarra. Questa corrente variabile viene in qualche modo "aspirata" dall’anodo della valvola e da lì distribuita agli stadi successivi dell’amplificatore come segnale. Ma, e qui sta il trucco, il segnale proveniente dall’anodo risulterà ampiamente amplificato rispetto al segnale proveniente dalla chitarra e applicato alla griglia. In pratica piccole variazioni di tensione applicate alla griglia producono grandi variazioni di corrente all’anodo.

Nell’amplificatore saranno in genere presenti vari stadi di preamplificazione che porteranno infine il segnale, debitamente trattato e amplificato, allo stadio finale per un’ulteriore amplificazione in grado di generare sufficiente potenza da far muovere lo speaker dopo il passaggio attraverso il trasformatore di uscita.

Il bias nelle valvole del preamplificatore
Non andrò troppo a fondo sulle modalità di bias possibili ma piuttosto cercherò di dare qualche indicazione di carattere più generale.

Il circuito relativo alle valvole di preamplificazione è sempre progettato affinché queste si polarizzino in modo automatico, è quindi possibile sostituirle senza dover effettuare nessuna regolazione. In pratica la griglia viene mantenuta a 0V ed è la tensione del catodo a variare automaticamente a seconda del segnale applicato (questo tipo di biasing, in inglese viene chiamato cathode bias). Per effettuare la sostituzione di una valvola del preamplificatore non c’è bisogno di un tecnico, sempre ammesso che siate in grado di reperire una valvola adatta al vostro scopo.

Il bias nelle valvole del finale
Per quanto riguarda lo stadio finale, invece, il discorso è diverso.
Le valvole finali funzionano in modo analogo a un triodo, ma hanno al loro interno anche altri elementi di controllo che permettono diversi tipi di funzionamento.
In genere gli amplificatori che presentano una sola valvola finale e quelli con due o quattro EL84 sono quasi sempre auto polarizzanti, quindi le valvole possono essere sostituite senza problemi. I più comuni amplificatori con finali autopolarizzanti sono i Vox AC30 e AC15.

La maggior parte degli amplificatori è però a bias fisso regolabile.
In questa tipologia di amplificatori il catodo delle valvole finali è collegato a terra, e ha quindi un potenziale di 0 Volt. Per far sì che la griglia sia a un voltaggio sufficientemente negativo rispetto al catodo (che ricordo è a 0 V), occorre applicare alla griglia una tensione negativa fissa che in genere ha un valore tra i -30V e i -70V. Questa tensione viene generata con un'apposita sezione del circuito di alimentazione, preposta appunto a fornire una tensione negativa costante (da qui il termine inglese fixed bias) da applicare alla griglia. Il valore di questa tensione, detta tensione di bias, è in genere regolabile a mezzo di un trimmer interno all’amplificatore ma spesso è settata tramite una rete di resistenze a un valore fisso non regolabile a meno di non effettuare qualche modifica all’amplificatore. Questo tipo di configurazione non regolabile in genere si trova in amplificatori di fascia medio bassa ed è una scelta di carattere economico: tra i più comuni amplificatori che hanno un bias fisso non regolabile troviamo il Blues Junior, il Pro Junior, il Blues Deville e il Peavey Classic 30 (tristemente noti per la rapidità con cui consumano le finali).
La tensione di bias è quindi quel dato che definisce il valore della corrente che scorre tra il catodo e l’anodo delle valvole finali nello stato di quiete. Questa corrente (corrente di bias) è nell’ordine delle decine di milliAmpere, può variare generalmente dai 20mA fino ai 50mA circa e va regolata in modo tale che, quando non è presente nessun segnale in ingresso, sia abbastanza elevata da permettere il corretto funzionamento dell’amplificatore ma non troppo da spingere le finali in una zona di lavoro che le possa danneggiare irreparabilmente. Ogni tipo di valvola può infatti generare una potenza massima oltre la quale non è fisicamente possibile andare: per esempio nel caso delle EL34 tale potenza massima dissipabile è di 25W, mentre per delle 6V6 è di 14W. Il bias andrà regolato in modo tale che nello stato di quiete la potenza dissipata sia tra il 50% e l’80% di quella massima. L’amplificatore infatti eroga potenza anche se non è presente nessun segnale all’ingresso.

Il bias delle valvole spiegato

Con un esempio pratico, immaginiamo una EL34 in un Marshall. Il valore della tensione dell’anodo nei Marshall classici si aggira intorno ai 450V. Per calcolare la potenza dissipata dalla valvola, basta effettuare una semplice moltiplicazione:

Potenza = Tensione all’anodo x Corrente di bias

Quindi, immaginando di aver settato con il trimmer la corrente di bias a un valore di 60mA, otteniamo:

Potenza = 450V x 60mA = 27W

Quindi le valvole stanno lavorando ben oltre la loro potenza massima consentita già quando non è presente segnale in ingresso! Molto, molto male. Un amplificatore così regolato brucerà le finali in men che non si dica.
Regolando al corrente di bias a un valore più consono di 38mA si ottiene:

Potenza = 450V x 40mA= 18W

Un valore molto più adeguato che permette all’ampli di avere della potenza da gestire in presenza di segnale di ingresso.

Il valore della corrente di bias non è quindi univoco ma può variare all’interno di una sorta di fascia di sicurezza. Piccole variazioni di pochi milliAmpere possono fare una gran differenza in termini di suono e risposta dell’ampli.

Il valore giusto per il bias
A questo purtroppo non esiste una risposta, nel senso che a seconda dell’amplificatore e delle valvole che si intende montare il bias deve essere regolato di volta in volta. Infatti il suo valore è funzione del tipo di valvole (6V6, 6L6, EL34 ecc.), della particolare valvola che si è acquistato (anche valvole identiche dello stesso brand si comportano diversamente) nonché del voltaggio all’anodo delle finali. Come se non bastasse, variare la tensione di bias influisce anche sul voltaggio dell’anodo e quindi la regolazione va fatta in varie fasi contraddistinte da differenti misurazioni.
Insomma, non è un lavoro facile, o per lo meno non è facile farlo nella maniera adeguata. Per non considerare il fatto che, come detto, la risposta dell’ampli varia a seconda del valore del bias scelto, e ogni chitarrista potrà avere i suoi gusti in merito.
Per esempio Stevie Ray Vaughan era solito regolare il bias molto freddo, cioè regolato in maniera tale da ridurre al minimo la corrente di bias con conseguente assenza di saturazione e di converso la maggior dinamica possibile. Tuttavia questo tipo di regolazione rende l’amplificatore meno carico di armoniche e più difficile da suonare. Insomma la questione è spinosa e per effettuare la taratura del bias è necessario rivolgersi a un tecnico specializzato.

La misurazione della corrente di bias può avvenire secondo diverse modalità su cui non mi soffermerò, ma è comunque necessario disporre degli strumenti adatti e soprattutto, a parte qualche rara eccezione, richiede quasi sempre di effettuare varie operazioni all’interno di un amplificatore attivo e acceso. Come non mi stancherò mai di dire, se non siete sicuri al 100% di cosa state facendo, evitate assolutamente di aprire un amplificatore a valvole e di metterci le mani dentro, al suo interno possono essere presenti voltaggi potenzialmente mortali anche da spento!
Quindi, se volete capirne di più, non dovete far altro che trovarne uno così paziente da effettuare le regolazioni del bias mentre state suonando, così che capirete quando il sound è quello giusto per il vostro stile nonché le differenze tra settaggi di bias freddo e caldo. Altrimenti accontentatevi di avere un ampli settato in modo tale che almeno sia in grado di dare il meglio di sé e non lasciarvi con l’amaro in bocca.
Come al solito, non esitate a commentare per qualsiasi dubbio o domanda.
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Commenti
di swing [user #1906] - commento del 16/04/2017 ore 09:15:10
Articolo molto interessante, vorrei chiedere se i circuiti di regolazione della potenza erogata che cominciamo a trovare in molti degli amplificatori a valvole più "moderni" ha a che fare con la regolazione del bias o, se le cose non sono correlate mi piacerebbe capirne il principio di funzionamento.
Rispondi
di fabrimix1 [user #43172] - commento del 16/04/2017 ore 10:22:51
Dipende dall'ampli, ma normalmente per variare la potenza viene variata la tensione anodica, lasciando il bias costante.
Rispondi
di NGR [user #41739] - commento del 16/04/2017 ore 20:29:47
Dipende dall'ampli. Esistono varie modalità di riduzione della potenza: variazioni della tensione all'anodo, variazizoni sul tipo di funzionamento della valvola e circuitazioni aggiuntive in grado di assorbire parte della potenza erogata. Ognuna con i suoi pro e i suoi contro.
Rispondi
di Baden [user #39846] - commento del 16/04/2017 ore 15:51:5
Come funzionano gli ampli che regolano automativa mente il bias? ad es. il Dv Mark.
Rispondi
di NGR [user #41739] - commento del 16/04/2017 ore 20:37:11
Non conosco le modalità con cui DV Mark regola il bias nei suoi ampli, posso pensare ad un sistema che è in grado di autogenerare una lettura della corrente di bias per un certo set di valvole e quindi regolarla di conseguenza a valori prestabiliti in fabbrica come ottimali per quel particolare amplificatore tramite un microprocessore in grado di controllare diversi parametri. Ma non vorrei dire inesattezze, dovresti chiedere direttamente a loro.
Rispondi
di Claes [user #29011] - commento del 16/04/2017 ore 18:25:25
Non credevo... valvole sono da fantascienza! Però ormai vintage. Le valvole essenziali sono però tuttora in produzione :) Domanda: c'è una differenza di "sound" tra una marca e l'altra che richiedere una regolazione del bias per ottimare il tutto?
Rispondi
di NGR [user #41739] - commento del 16/04/2017 ore 20:32:33
Le differenze tra varie marche ci sono, e sono anche notevoli, ma tutto sommato indipendenti dalla regolazione del bias. Nel senso che non esiste un valore magico per la marca x che invece non va bene per la y. Ogni set di valvole ha bisogno di una sua regolazione ottimale, indipendentemente dalla marca e dal timbro sonoro.
Rispondi
di Benedetto [user #41804] - commento del 17/04/2017 ore 20:42:20
Posso montare una 12AY7 nel pre del mio Hot Rod Deluxe?
Rischio di fare danni?
Vorrei un suono soft con più dinamica...
Rispondi
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di NGR [user #41739] - commento del 19/04/2017 ore 17:13:18
Nessun danno, vai tranquillo!
Rispondi
di Floyd [user #143] - commento del 18/04/2017 ore 16:30:59
Bell'articolo, complimenti. Hai spiegato il bias in maniera comprensibile ma non superficiale. Articoli come questo vanno conservati perché davvero utili. Hai scritto che agli amplificatori economici spesso manca la regolazione, ma purtroppo msnca anche in amplificatori costosi, come ad esempio l'Hiwatt custom 50 o 100 W, sia per gli originali anni 70 che le attuali riproduzioni. Anche i Mesa Boogie non hanno regolazione per il bias. La scelta in questo caso è fatta per costringere l'utente ad acquistare valvole selezionate e rimarchiate dalla stessa fabbrica con colori o numeri che non dicono niente delle caratteristiche elettroniche della valvola. Io uso principalmente Hiwatt, ne ho uno del 71 e uno del 74. Non potendo regolare il bias se non modificando il circuito, sono riuscito ad individuare le valvole adatte grazie alle selezioni di Tube Amp Doctor, che indica anche la Plate Courrent sviluppata dalla valvola con le tensioni di test. Con prove empiriche ho trovato il giusto valore che fa lavorare l'amplificatore secondo specifiche progettuali, un bias piuttosto caldo, ma nei limiti di sicurezza, e un suono veramente ottimo. Per la misura del bias in sicurezza uso uno dei misuratori di corrente catodica (bias rite, etc....) facile e alla portata di tutti. Ciao e grazie per l'articolo.
Rispondi
di NGR [user #41739] - commento del 19/04/2017 ore 17:17:11
Grazie a te. Stavo giustappunto progettando una piccola scheda che permette la regolazione del bias negli Hiwatt senza modifiche consistenti! Il tuo metodo è giusto ma poter essere liberi di scegliere anche altre valvole è sicuramente un bonus. Comunque TAD ha degli ottimi prodotti.
Rispondi
di Floyd [user #143] - commento del 19/04/2017 ore 18:18:1
A dirla tutta, il DR103 è stato modificato per la regolazione del bias, in maniera ottimale, con un circuito abbastanza complesso montato su una scheda aggiuntiva, e con tanto di insert per i puntali del multimetro all'esterno. Con questo circuito variando la tensione negativa di bias, la tensione anodica rimane costante.
NEl DR504 ho aggiunto alla resistenza esistente che determina il bias, un trimmer collegato in serie come resistenza variabile, in modo che con il trimmer a zero abbia il valore di fabbrica, e ruotando il trimmer in senso orario aumento la tensione negativa di bias. Il contro di un sistema così semplice è che la tensione anodica aumenta di conseguenza, e la regolazione non è immediata nè facile, e inoltre bisogna stare attenti a non far aumentare troppo l'anodica, quindi non ho un grosso range di regolazione. acquistando una selezione di valvole con il valore di Plate Courrent idoneo (da #18 a #20), non ho necessità di applicare nessuna regolazione, e ottengo esattamente i valori delle tensioni e di corrente anodica come da progetto.
ciao
Rispondi
di NGR [user #41739] - commento del 19/04/2017 ore 18:25:12
Ottimo.
Rispondi
di Oskar77 [user #17983] - commento del 21/04/2017 ore 09:02:36
Bellissimo articolo, come si e' scritto sopra da conservare.. Puo' aiutare a capire (per grandi linee), se un bias e' mediamente adeguato, il colore della luce emessa dalle valvole stesse? ad es. un colore sull'arancione piuttosto che un rosso abbastanza "acceso"? oppure l'emissione dell'ampli stesso di piu' o meno rumore di fondo in condizioni di acceso e volume aperto a livello di normale esercizio? Grazie in anticipo.
Rispondi
di NGR [user #41739] - commento del 21/04/2017 ore 09:51:38
Ciao,
faccio un po' di chiarezza. Il filamento è assolutamente indipendente dal bias e quindi non da nessuna indicazione sul bias stesso, nè tantomeno il suo colore è in alcun modo collegato al suono. Invece, se vedi chiazze di colore arancione sull'anodo (quella specie di gabbia metallica che circonda i componenti della valvola), allora sono guai: vuol dire che la valvola sta dissipando troppa potenza e la rottura è certa.
Non devono esserci MAI macchie incandescenti sulla valvola!
Il rumore di fondo non è ugualmente un indicatore della regolazione giusta o sbagliata del bias. Occorono necessariamente strumenti di misura adeguati per poter effettuare la regolazione in modo corretto.
Rispondi
di Oskar77 [user #17983] - commento del 21/04/2017 ore 10:03:07
Grazie per le delucidazioni.
Rispondi
di Elasée Auardàt [user #32737] - commento del 16/05/2017 ore 14:34:15
Grazie dell'articolo interessante.
Ho una domanda, ieri dopo avere acceso l'amplificatore (Fender Blues Junior III), ha emesso un rumore tipo una radio vecchia, e il rumore era piuttosto alto. Da notare che avevo tutto a 1 e la chitarra non era attacchata. Attaccando la chitarra, non produceva nessun suono. Allora ho tolto le finali, le ho rimesse e il rumore non l'ha più fatto ma ha iniziato a gracchiare ogni volta che suonavo una nota.
A quel punto ho sostituito le due finali con due nuove dello stesso modello e ha gracchiato ancora un po' come la vecchia radio, ma a volume più basso, le ho tolte, rimesse e ha smesso di dare problemi.
Può darsi che ci sia un problema di contatto all'interno degli scassi per le valvole?
Mi sono venuti altri dubbi:
- io non lo uso moltissimo, facciamo una media di 4 ore alla settimana e non lo tiro. Mi chiedo come mai le 2 valvole siano già da cambiare dopo 5 mesi che le ho messe nuove. Può darsi che il bias settato male le abbia sovrausurate?
- mi sembra che il volume sia più basso del solito, anche con le valvole nuove. Anche qui può darsi che sia un problema di bias e/o di contatto?

grazie
Rispondi
di kappajolly [user #32118] - commento del 20/08/2017 ore 19:27:24
Buonasera, se mi è permesso vorrei rivedere insieme questo concetto:
"In genere gli amplificatori che presentano una sola valvola finale e quelli con due o quattro EL84 sono quasi sempre auto polarizzanti, quindi le valvole possono essere sostituite senza problemi. I più comuni amplificatori con finali autopolarizzanti sono i Vox AC30 e AC15."

Che io sappia, anche perché sono un possessore di un vox nightrain che monta 2 el84, non è corretto, proprio perché (è ancora non ho capito il procedimento) ogni valvola ha un proprio bias ed indirettamente se questo non dovesse adattarsi al bias (che non è autoregolante nonostante la sigla "autobias") a quello dell'ampli sarebbe spiacevole
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