Le valvole ... un po di teoria
Per quelli che sono nati e cresciuti con i transistor ed i microchip, le valvole possono sembrare degli oggetti misteriosi e complessi. Cerchiamo di spiegarne il funzionamento in un modo chiaro e semplice, senza ricorrere alla fisica quantistica!
La storia ...
Nel 1883 Thomas Edison svolgeva esperimenti sulla lampadina elettrica. Tra le sue osservazioni notò che il vetro delle lampadine tendeva a diventare scuro, e si chiese se non fosse l'effetto di particelle emesse dal filamento. Per sincerarsene, inserì in una lampadina una placchetta metallica con lo scopo di attirare queste particelle, e scoprì che se questa placca era posta a potenziale positivo si misurava una corrente tra filamento e placca. In seguito Fleming, occupandosi degli esperimenti di Edison, stabilì che la corrente fluiva solo quando la placca era positiva, e che il dispositivo poteva essere utilizzato per rettificare una tensione alternata. Egli brevettò il diodo nel 1904. Due anni dopo Lee de Forest scoprì che, interponendo un filo tra il filamento e la placca, era possibile controllare la corrente, e brevettò il suo audion (triodo).
Emissione Termoionica
Quando un metallo viene scaldato ad una temperatura sufficiente, comincia ad emettere elettroni. Nell'aria è impossibile notare il fenomeno, in quanto gli elettroni emessi vengono immediatamente neutralizzati dalle molecole dell'aria circostante. Nel vuoto, invece, possono venire attirati da un elettrodo positivo, e quindi costituire una vera e propria corrente elettrica. Il termine "emissione termoionica" è etimologicamente sbagliato perché fa riferimento ad una emissione di ioni, ipotizzata in origine. E' più corretto parlare di "emissione termoelettronica".
Più alta è la temperatura, maggiore l'emissione elettronica. La maggior parte dei metalli fonde prima di raggiungere una temperatura adatta ad una robusta emissione. Il tungsteno costituisce un'eccezione, in quanto fornisce una buona emissione a 2300-2500 gradi e fonde a 3380 gradi centigradi. Una temperatura di emissione tanto elevata lo rende brillante come una lampadina, e così brillanti erano le prime valvole. In seguito si imparò a rivestire il tungsteno con un ossido (per esempio di bario o di stronzio) che fornisce una buona emissione già a 700 gradi. Da allora la luminescenza dei filamenti si è ridotta al bel colore rosso fuoco che conosciamo.
Nella maggior parte delle valvole l'elemento che emette elettroni è un componente separato dal filamento. Si tratta di un sottile tubetto (catodo) dentro cui passa il filamento. Di conseguenza l'emissione avviene per riscaldamento indiretto del catodo da parte del filamento incandescente. Questo tipo di valvole si chiamano appunto a riscaldamento indiretto. Le altre, nelle quali è lo stesso filamento che funge da catodo, vengono invece dette a riscaldamento diretto.
Corrente elettronica e corrente convenzionale
Noi tutti siamo abituati a pensare la corrente come un flusso elettrico che va da un polo positivo ad un polo negativo. In realtà la corrente elettrica, essendo dovuta principalmente ad un flusso di elettroni, va nella direzione esattamente opposta. Questa anomalia e' dovuta ad una assunzione teorica errata effettuata in antichità. In seguito si decise di mantenere la notazione antica ormai acquisita universalmente, e quindi si dice che la corrente convenzionale scorre dal positivo al negativo, mentre sappiamo che la corrente elettronica scorre al contrario.
Per evitare confusione, abituiamoci a pensare in termini di corrente elettronica quando ragioniamo sul funzionamento di una valvola, ed in termini di corrente convenzionale quando ragioniamo su un intero circuito.
Il Diodo
La placchetta positiva che attira gli elettroni emessi dal catodo è detta anodo o placca. Generalmente consiste in un cilindretto metallico che circonda il catodo, ad alcuni millimetri di distanza.
Quando l'anodo è a potenziale positivo rispetto al catodo, vi è circolazione di corrente. Questo è un fenomeno utile per la rivelazione di segnali o il raddrizzamento di correnti alternate, ma ovviamente non ha nessuna possibilità di amplificare. Le valvole rettificatrici, usate negli alimentatori, sono costruite con grossi elettrodi allo scopo di sopportare correnti, e quindi potenze, elevate. Questo schemino mostra un tipico impiego di una valvola rettificatrice, con ingresso in corrente alternata e uscita in corrente raddrizzata a "mezz'onda".
Un condensatore di filtro viene normalmente connesso ai capi del carico, allo scopo di fornire una tensione continua relativamente stabile. Nello schema non è indicata la connessione per l'accensione del filamento: questa è una pratica spesso usata per semplificare gli schemi.
Il Triodo
Aggiungendo una spirale di filo tra il catodo e l'anodo è possibile controllare la corrente elettronica. Questa spirale di filo è detta Griglia controllo.
Osserviamo il diagramma a lato. Si tratta di un tipico amplificatore a triodo. Se un segnale variabile viene applicato alla griglia controllo tramite il condensatore C1, la corrente anodica varierà in accordo col segnale d'ingresso. Inserendo una resistenza (Ra) tra l'anodo e il positivo dell'alimentazione, la corrente variabile verrà convertita in una tensione variabile sull'anodo.
Nell'uso normale la griglia controllo va tenuta ad un potenziale negativo rispetto al catodo, altrimenti funzionerebbe come un secondo anodo. Il valore di questa tensione varia tra zero ed una decina di volt negativi. Nelle radio molto antiche questa tensione era ottenuta mediante un'apposita batteria; in seguito prese piede il metodo della cosiddetta polarizzazione automatica, come quella mostrata in figura. Si ottiene collegando il catodo a massa attraverso una resistenza (Rk) di piccolo valore. La corrente anodica, attraversando Rk, causa una caduta di potenziale di pochi volt, sufficienti a portare il catodo ad una tensione positiva rispetto alla griglia controllo, che invece è collegata a massa attraverso la resistenza Rg.
Il condensatore Ck serve per livellare la tensione di polarizzazione e renderla indipendente dalle variazioni del segnale. Eliminando Ck si introduce una certa dose di controreazione che riduce il guadagno dell'amplificatore, ma anche la distorsione.
I triodi sono usati principalmente per l'amplificazione audio a basso livello (preamplificazione). Non vengono usati in radiofrequenza a causa delle elevate capacità parassite che presentano, specie quella tra griglia ed anodo. Sebbene questa capacità sia di pochi pF, questa viene riflessa in una capacità effettiva uguale alla capacità reale moltiplicata per il guadagno dell'amplificatore, e viene vista come capacità d'ingresso. La capacità effettiva riduce notevolmente il guadagno alle alte frequenze.
Il tetrodo
Il tetrodo venne sviluppato allo scopo di risolvere il problema appena visto. Si interpone una seconda griglia tra la griglia controllo e l'anodo. Questa griglia viene detta griglia schermo, in quanto agisce proprio come uno schermo elettrostatico, diminuendo notevolmente la capacità tra anodo e griglia controllo.
Per avere effetto la griglia schermo va collegata a massa per quanto riguarda il segnale. Tuttavia non può essere collegata direttamente a zero volt, perché altrimenti agirebbe come una seconda griglia controllo. Dunque, viene connessa ad una tensione derivata dall'anodica mediante un partitore di resistenze, e collegata a massa con un condensatore di capacità adeguata, che costituisca un cortocircuito per il segnale (condensatore di bypass).
Il tetrodo risolve il problema della capacità interelettrodica e permette grandi amplificazioni anche a radiofrequenza, ma è affetto da un problema, la distorsione. Questa deriva dalla cosiddetta emissione secondaria, argomento troppo complesso per poter essere trattato qui. Basti sapere che per questo motivo il tetrodo è raramente usato in circuiti reali. Ne abbiamo parlato perché costituisce un importante stadio nello sviluppo di una soluzione migliore.
Il Pentodo
Come dice il nome, il pentodo ha cinque elettrodi. Quattro di questi sono gli stessi del tetrodo, e cioè il catodo, la griglia controllo (g1) la griglia schermo (g2) e l'anodo. Il quinto elettrodo è ancora una griglia (g3), detta griglia di soppressione, che ha proprio lo scopo di ridurre l'effetto dell'emissione secondaria e la conseguente distorsione. La terza griglia viene normalmente collegata al catodo, e spesso questo collegamento è inerno alla stessa valvola, cioé non corrisponde con un apposito piedino.
Il pentodo si può considerare il vero punto d'arrivo nello sviluppo della valvola: alta amplificazione, larga banda, bassa distorsione. I pentodi si trovano negli stadi a radiofrequenza e a media frequenza di un ricevitore, ma anche negli amplificatori d'uscita.
La figura mostra un tipico amplificatore a pentodo. E' piuttosto simile a quello a triodo visto sopra, con l'aggiunta dei circuiti per polarizzare le griglie aggiuntive.
Valvole a pendenza variabile
Spesso è necessario poter controllare l'amplificazione (guadagno) di una valvola, sia a mano che in modo automatico. Il caso tipico è quello del cosiddetto CAV (Controllo Automatico di Volume), che serve ad adeguare l'amplificazione di un ricevitore in base alla potenza del segnale radio ricevuto.
Per ottenere ciò viene variata la spaziatura delle spire che costituiscono la griglia controllo, rendendole fitte al centro e distanziate agli estremi. Questo artificio rende l'amplificazione della valvola sensibile alla tensione di polarizzazione di griglia: più negativa la tensione, minore il guadagno. Le valvole di questo genere vengono anche dette vari-mu, perché la lettera greca mu è usata per indicare il guadagno.
Amplificatori di potenza
Questo schema mostra un tipico amplificatore di potenza in classe A. La resistenza di carico anodico è rimpiazzata dal primario di un trasformatore (T1), detto trasformatore d'uscita. Il secondario è collegato all'altoparlante. Lo scopo del trasformatore è quello di adattare l'impedenza d'uscita della valvola (piuttosto alta) all'impedenza d'ingresso dell'altoparlante, che invece è molto bassa (pochi ohm). Nelle radio molto antiche, quando ancora si usavano altoparlanti a membrana o a spillo, l'uso del trasformatore d'uscita non era necessario.
Il condensatore Ca posto in parallelo a T1 serve per bilanciare in qualche modo la risposta non lineare alle varie frequenze, e viene detto correttore di tonalità. In molti casi la correzione di tonalità viene effettuata con un numero maggiore di condensatori e di resistenze (reti di equalizzazione).
In questo amplificatore la griglia schermo è connessa direttamenta alla tensione anodica, e si trova ad un potenziale molto vicino a quello della placca. Questo arrangiamento circuitale è molto diffuso nelle radio a valvole.
La resistenza posta in serie con la griglia controllo serve ad attenuare opportunamente le frequenza elevate (ultrasoniche) d'ingresso, in modo da aumentare la stabilità dell'amplificatore.
Gli amplificatori a valvole usati negli impianti hi-fi usano una configurazione differente, e fanno uso di almeno due valvole finali, funzionanti alternativamente (push-pull). In questi casi si parla di amplificazione in classe B. Questo tipo di amplificatori si trova anche nei grossi e costosi ricevitori a valvole di grande potenza.
Altri tipi di valvole
Lo sviluppo delle valvole non si ferma al pentodo. Nel corso degli anni vennero sviluppati numerosi tipi differenti di valvola, con un numero crescente di griglie, e dedicati alle applicazioni più disparate. Queste valvole prendono il nome generico di multigriglia (esodi, eptodi, ottodi, ...). Gli esodi e gli eptodi, ed anche gli ottodi interessano il radiotecnico in quanto sono presenti nel convertitore di frequenza degli apparecchi supereterodina.
In ogni caso il funzionamento delle valvole multigriglia esula dalla semplice trattazione qualitativa che abbiamo adottato fin qui.
Valvole multiple
Molto spesso più valvole si trovano racchiuse nello stesso involucro, e condividono tra loro alcuni piedini, per esempio quelli del filamento o qualche altra interconnessione interna.
Per esempio, l'oscillatore-mescolatore è spesso costituito da un triodo e un esodo montati nello stesso involucro. Queste due sezioni lavorano insieme nella conversione di frequenza. Allo stesso modo i doppi-triodi hanno trovato largo impiego in bassa frequenza o negli stadi convertitori per FM, ed i doppi-diodi-triodi sono stati usati diffusamente negli stadi rivelatori-preamplificatori BF.