SIMULAZIONE DI DISTORSIONE ARMONICA - Triodo 12AX7A

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Il circuito rappresentato sotto è un classico stadio d'amplificazione a triodo completo della resistenza di griglia, del condensatore di disaccoppiamento e della resistenza di carico per dimostrare il funzionamento di uno stadio valvolare.

Naturalmente modificando  i valori di tensione d'alimentazione e dei componenti di polarizzazione della valvola si ottengono risultati diversi sia di risposta in frequenza, sia di aumento di segnale, sia di armoniche riprodotte ma non è possibile stabilire il punto di funzionamento migliore per molte ragioni.

Uno stadio di questo tipo è ampiamente utilizzato da molti costruttori d'amplificatori valvolari.

Adesso scopriamo come si comporta un circuito di questo tipo sottoposto ad un segnale d'ingresso, rappresentato nella figura precedente dal generatore 'TR', quando applichiamo una tensione di 1Vpp  avente frequenza di 220 hz.

Come si può vedere dalla forma d'onda il segnale parte dal valore di 0V, che è il punto di riposo di questo circuito, per scendere fino al valore di -22,3V, poi risale fino al valore di partenza per continuare fino al valore di +21,7V e ridiscende di nuovo fino al punto di partenza di 0V compiendo un ciclo.

Per fare questo impiega un tempo che è l'inverso della sua frequenza ovvero una durata di 1/freq  (1/220=4,545msec) come si può vedere dal grafico.

Amplificando in queste condizioni di un fattore pari a 44 volte la tensione d'ingresso ci troviamo in uscita un segnale avente ben 44V picco-picco (21,7V+22,3V=44V).

Da notare che questo tipo di circuito effettua una rotazione del segnale di 180°; difatti quando la tensione del segnale in ingresso aumenta quella prelevata sull'anodo della valvola diminuisce e viceversa.

Questo sfasamento non influisce sul suono ma solo sulla fase dell’intero segnale.

In questo caso il LA 440 hz (2° armonica) ha un livello di 0,36 Vp molto basso che insieme alle altre armoniche porta ad una distorsione totale inferiore al 2%, appena apprezzabile a livello uditivo.

Si può affermare quindi che per piccoli segnali la valvola non modifica in maniera apprezzabile il contenuto armonico del segnale amplificandolo in maniera piuttosto fedele.

Ora andiamo ad osservare il nostro analizzatore di spettro virtuale per verificarne la quantità e il tipo d’armoniche generate.

Quando invece applichiamo un segnale di 2Vpp della stessa frequenza notiamo che oltre al fatto che la tensione varia fra +42V e -45V e quella dovuta alla frequenza fondamentale arriva a 43 Vp, le altre variano in maniera più o meno significativa portando la distorsione armonica totale a superare la soglia del 3% potendola definire una distorsione leggera.

Osserviamo il nostro analizzatore di spettro virtuale per verificarne la quantità e il tipo d’armoniche generate notando la crescita di tutte le armoniche.

Aumentando ancora il segnale d'ingresso a 5 Vpp notiamo che la parte superiore della nostra onda inizia a essere tagliata causa del raggiungimento della tensione d'alimentazione di 350V che produce una compressione del segnale e crea ulteriori armoniche soprattutto d'ordine dispari.

In questo caso la distorsione armonica totale raggiunge il valore di circa 21% dovuto in gran parte all'effetto della 2° armonica ma anche di quelle d'ordine superiore.

Questa potremmo definirla una distorsione media.

Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può vedere come siano aumentate molto tutte le armoniche, in particolar modo le meno presenti precedentemente, mentre è diminuita leggermente la fondamentale per effetto della compressione.

Portando il segnale in ingresso a 10 Vpp vediamo che la forma d'onda risulta tagliata in maniera asimmetrica sia nella semionda positiva a causa del raggiungimento del valore della tensione d'alimentazione, sia in quella negativa a causa del raggiungimento del potenziale di massa.

Ciò crea un'amplificazione minore del segnale che si adagia a circa 26 volte invece di 44 della partenza.

Raggiungendo la soglia del 40% potremmo dire che abbiamo una distorsione alta del segnale.

Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può notare come siano aumentate, rispetto alla situazione precedente soprattutto la 4° e l’8° armonica e siano diminuite le fastidiose 3° e 5°, ed è ancora diminuita leggermente la fondamentale per effetto della compressione.

Con il massimo segnale previsto in questa simulazione che ha un'ampiezza di 20 Vpp arriviamo ad una distorsione alta in cui non si ha più un aumento consistente della fondamentale ma aumentano solamente le armoniche generate d'ordine dispari e diminuisce addirittura la seconda armonica poiché ci avviciniamo di più alla forma d'onda quadra tipica delle distorsioni causate da circuiti a stato solido.

La distorsione armonica totale arriva a superare il 40%.

Osservando il nostro analizzatore di spettro virtuale, si può notare come ci sia una certa uniformità nei livelli delle armoniche, ed è ancora diminuita leggermente la fondamentale per effetto della saturazione.

Considerazioni: l'amplificazione valvolare produce una distorsione armonica crescente con l'aumento del segnale in maniera più o meno proporzionale, la quale dipende dal tipo di valvola usata e dal suo punto di funzionamento caratterizzato sopratutto da armoniche d'ordine pari (soprattutto 2° armonica) ma anche di una dose d'armoniche dispari che rimangono in sordina a livelli medi del segnale d'ingresso ma che vengono fuori prepotentemente quando si raggiungono elevati segnali in ingresso a cui corrisponde una tosatura del segnale e la corrispondente caduta dell'armoniche pari.

E' proprio la diversa miscela tra armoniche pari e dispari che ci fa apprezzare più un suono valvolare rispetto ad un altro.