Da un po’ di tempo ho notato una cosa che mi ero ripromesso di affrontare prima o poi. Sempre più spesso, ricevo domande e richieste di consigli riguardo a circuiti e schemi che le persone trovano su Internet e vorrebbero realizzare. In più di un’occasione mi sono trovato a dire loro: “Dimentica questa idea, o vai con un’uscita a triodo o a pentodo, perché la connessione ultralineare in amplificatori single-ended semplicemente non funziona.”

Quando affermo che un amplificatore ‘non funziona’ con la connessione ultralineare in un circuito single-ended, non intendo dire che lo accenderete e sentirete un esplosione o che non produrrà suono, o che il suono sarà così distorto da risultare inascoltabile. Invece, sto sottolineando che si è scelto un circuito concettualmente inadatto che, sebbene produca suono, lo fa in modo subottimale e senza apportare vantaggi significativi o addirittura causando altri problemi. Pertanto, è di fondamentale importanza dedicare tempo a leggere attentamente le mie osservazioni, comprenderle appieno e evitare di lasciare commenti che dimostrano la non comprensione del mio pensiero.

Le persone rimangono perplesse di fronte a queste mie risposte, tanto che ho ancora in catalogo trasformatori per amplificatori single-ended con presa UL, ma ne sconsiglio l’utilizzo. Questo è dovuto anche al fatto che, a un certo punto, devo pur vendere, e se i clienti non li acquistano da me, li acquistano altrove. È incredibile come si tratti di un errore clamoroso che è stato condiviso ed emulato praticamente da tutto il mondo audiofilo, compresi grandi marchi, senza che nessuno se ne sia mai accorto. La comunità degli appassionati di autocostruzione e degli audiofili è convinta che la connessione ultralineare sia una soluzione valida sia per gli amplificatori push-pull che per quelli single-ended, e nessuno sembra preoccuparsi di verificare effettivamente il funzionamento di questa configurazione. Forse è il nome stesso, “Ultra Lineare” che suona così rassicurante… non è solo lineare, è ULTRA! (Questo è un rafforzativo letterario e psicologico, ma non di fatto.)

Cos’è la connessione Ultra Lineare

La connessione ultralineare è una particolare configurazione ottenibile solo con i pentodi, in cui la griglia schermo viene collegata ad una presa intermedia del trasformatore di uscita. Questo collegamento fa sì che la tensione della griglia schermo sia variabile e segua il valore della tensione di placca. Il risultato è un rendimento elevato e un comportamento che rappresenta una via di mezzo tra quello di un pentodo classico e quello di un triodo. Questa innovativa configurazione è stata concepita da Alan Blumlein e mirava a sfruttare il meglio delle caratteristiche di entrambe le tipologie di valvole, triodo e pentodo. È una configurazione che può essere adottata sia per un finale push-pull al fine di massimizzare le potenzialità delle valvole.

Vantaggi della connessione ultralineare

Attraverso una scelta oculata della percentuale di derivazione della griglia schermo, è possibile sfruttare i vantaggi sia delle valvole triodo che delle valvole pentodo. In una gamma molto ristretta di valori di percentuale di derivazione, si è riscontrato che la distorsione diminuisce a valori insolitamente bassi, talvolta inferiori sia all’operazione a triodo che a pentodo, mentre l’efficienza energetica subisce solo una lieve riduzione rispetto all’operazione in pentodo completo. La percentuale di derivazione ottimale per ottenere un funzionamento ultralineare dipende principalmente dal tipo di valvola utilizzato; un valore comunemente osservato è il 43% (rispetto al numero di spire primarie del trasformatore sul circuito dell’anodo), che si applica alla KT88, anche se molte altre tipologie di valvole hanno valori ottimali vicini a questo. Un valore del 20% è stato raccomandato per le 6V6GT. Circuiti Mullard utilizzavano anche il 20% di carico distribuito, mentre gli amplificatori LEAK utilizzavano il 50%. Le caratteristiche del circuito che rendono il carico distribuito adatto agli amplificatori di potenza audio, rispetto a un amplificatore basato su triodo, tetrodo a fascio o pentodo, sono le seguenti:

1. L’impedenza di uscita viene abbassata a circa la metà di quella ottenuta con un triodo.
2. La distorsione viene abbassata per avvicinarsi a quella ottenuta con una valvola triodo, ma può essere ancora inferiore nell’operazione ultralineare.
3. La potenza in uscita è superiore rispetto a quella di un triodo, avvicinandosi a quella fornita da un pentodo.
4. La potenza in uscita è più costante, poiché il carico distribuito è una combinazione di un amplificatore di transconduttanza e di un amplificatore di tensione.

Alan Blumlein nel passato ha inventato e utilizzato la connessione ultralineare esclusivamente in circuitazioni pushpull e come lui tutti i produttori storici, non vi sono esempi di amplificatori che utilizzino la connessione ultralineare in single ended se non in tempi recenti, scopriamo il perchè! Qui sotto lo schema di un’amplificatore Single Ended Ultralineare realizzato da un cliente SB-LAB apparso in questo articolo (clicca). Come si può vedere la griglia schermo è collegata ad una presa intermedia del trasformatore di uscita.

Voglio far notare il valore della resistenza posta sotto al catodo della KT88 nello schema, del valore di 360ohm… Ora cito quanto mi ha scritto il cliente che ha realizzato questo schema “se può aggiungere una sua nota nel non farsi influenzare dalla resistenza da 360 ohm, io l’ho sostituita con un valore misurato di circa 190 ohm, dopo vari tentativi perchè non tornava la giusta corrente di bias” … È un particolare molto importante ricordatevelo! Ma dico subito da ora che questo problema evidenzia il fatto che il signor Jean Hiraga non abbia mai testato lo schema che ha pubblicato su internet, perchè si sarebbe accordo che la polarizzazione della finale non torna. Questo schema circola su internet da decenni e nessuno si è mai posto il problema di capire come mai non tornasse la corrente di bias (molti sicuramente non se ne sono nemmeno mai accorti e hanno ascoltato solo distorsione felici e ignari affermando quasi sicuramente che andava anche bene).

Tutti coloro che hanno una minima conoscenza di progettazione e sono in grado di interpretare le curve caratteristiche di una valvola, che sia essa un triodo o un pentodo, e che possono disegnare una retta di carico basata sull’impedenza del carico, quindi del trasformatore di uscita, sanno che si seleziona un punto di lavoro tensione/corrente “qualsiasi”, o almeno ci si basa spesso su punti di lavoro caratteristici, nel rispetto dei limiti di dissipazione della valvola, e quindi si traccia la retta che dipende dall’impedenza di carico. Tuttavia, è importante sottolineare che quando si utilizza una valvola connessa in modalità ultralineare, non è possibile selezionare liberamente un punto di lavoro a piacere. Si è infatti vincolati dalla caratteristica della griglia schermo. Ogni modifica della tensione del punto di lavoro comporta una completa modifica del percorso delle curve caratteristiche della valvola. Per chiarire ulteriormente questo concetto, possiamo fare riferimento alle curve presentate nel datasheet della KT88 della Genalex (clicca per ingrandire):

Inizio sottolineando che nel datasheet della KT88, l’utilizzo della modalità ultralineare viene descritto esclusivamente in configurazioni push-pull. In sostanza, all’epoca, non suscitava nessun interesse l’idea di utilizzare l’ultralineare in un amplificatore single-ended. Tuttavia, potrebbe verificarsi il seguente ragionamento da parte di un progettista poco attento: ‘Bene, l’impedenza tipica per una KT88 in configurazione single-ended è di 2500 ohm. A occhio, posso impostare una tensione di 250 volt con 120 mA di bias e una tensione di griglia di circa -32 volt…’. Questo porta alla generazione di una retta caratteristica che può essere visualizzata di seguito:

Per evitare di dover effettuare montaggi fisici in laboratorio, utilizzeremo LTSpice per simulare questa la polarizzazione (2,5k primari e 8ohm secondari con UL al 50%) di una KT88 in questa configurazione e osservare i risultati ottenuti. Il modello della KT88 utilizzato è quello sviluppato da Norman Koren, noto per la sua accuratezza, e posso garantire che se fosse stato realizzato con una valvola reale, il risultato sarebbe stato altrettanto preciso. In teoria dovremmo ottenere una corrente di 120mA che scorre nel catodo…

Ecco cosa accade: La corrente di BIAS è di 24mA !!! A questo punto, chiunque abbia anche solo una minima conoscenza del campo (gli autocostruttori hobbisti sono perdonati, ma chi si definisce un progettista dovrebbe essere in grado di riconoscerlo!) dovrebbe chiedersi: ‘Ma perché le curve caratteristiche prevedono una corrente di 120mA e invece quando assemblo il circuito ne ottengo solo 24?!’ In altre parole, una piccola differenza dovuta alla tolleranza delle valvole è comprensibile, quindi devo regolare leggermente il bias. Ma trovare 24mA invece di 120 è una discrepanza così significativa che dovrebbe destare seri dubbi sulla correttezza della teoria utilizzata per stabilire la polarizzazione della valvola. In realtà, la maggior parte delle persone ignora questo segnale d’allarme e continua a regolare il bias fino a forzare la corrente della valvola senza porsi ulteriori domande. Proviamo a dargli segnale…

Il circuito sembra funzionare ora, anche se è evidente una forma d’onda fortemente distorta (in blu il segnale in ingresso e in verde quello in uscita). Quindi, ciò che ci si potrebbe chiedere è: perché, quando si realizza un amplificatore single-ended in modalità ultralineare, la corrente di bias e l’impedenza del trasformatore non coincidono con le aspettative? Diamo un’occhiata più approfondita alle curve presentate nel datasheet…

Notate quella linea tratteggiata con l’indicazione Va,g2(o) = 425V? Facciamo un breve ripasso sul funzionamento delle valvole, sia triodi che pentodi, e concentriamoci soprattutto sulla loro struttura interna. Iniziamo osservando il triodo, che dispone di una sola griglia e una piastra a forma di “toast,” molto sottile e vicina al catodo.

Successivamente, passiamo a osservare un tetrodo o pentodo, che dispone di 2 o 3 griglie (nel caso del tetrodo a fascio, la terza griglia è costituita da due sottili lamelle metalliche, ma in questo articolo non ci concentreremo su questa terza griglia). È invece cruciale notare che la piastra è situata a una distanza molto maggiore dal catodo rispetto a quanto accade nei triodi…

Nei triodi, il campo elettrico generato dalla placca agisce direttamente sugli elettroni, attrattivamente, mentre la griglia di controllo (G1) a tensione negativa li rallenta e ne regola il flusso. Nei tetrodi o pentodi, tuttavia, la placca è situata a una distanza troppo grande dal catodo per attrarre gli elettroni emessi da sola (o li attrarrebbe solo debolmente). In questi dispositivi, la griglia schermo (G2), polarizzata positivamente e posizionata subito dopo la griglia di controllo (G1), accelera il flusso di elettroni. Tuttavia, poiché G2 è costituita da sottili fili, la maggior parte degli elettroni non riesce a depositarsi su di essa. Invece, a causa della velocità acquisita, in quello che potremmo definire un effetto fionda, continuano la loro corsa oltre G2, fino a raggiungere il campo elettrico generato dalla placca, che li attira definitivamente verso di essa. È quindi evidente che la corrente che raggiunge la placca di un pentodo non dipende solo dalla tensione negativa applicata a G1, ma anche dalla tensione positiva applicata a G2.

Nella connessione ultralineare, a riposo, la tensione che arriva a G2 è pressoché la stessa che arriva alla placca, dato che la resistenza interna dell’avvolgimento del trasformatore è quasi irrilevante in questo contesto. Ciò significa che se si varia la tensione di placca, si varia anche la corrente che attraversa la valvola in modo significativo. Questo avviene perché la tensione su G2 varia inevitabilmente insieme alla tensione di placca. In modalità ultralineare, quindi, possiamo parlare di curve “dinamiche,” mentre nei triodi e nei pentodi connessi come pentodi, le curve sono “statiche”.

Le linee tratteggiate nel datasheet Genalex a cui ho fatto riferimento precedentemente indicano essenzialmente che il punto di lavoro può essere posizionato a una corrente qualsiasi, ma deve rimanere sopra quella linea, ossia a 425 volt! Se si modifica la tensione del punto di lavoro, le curve rappresentate nel datasheet non sono più valide e cambiano completamente. Esaminiamo questo fenomeno con l’ausilio di uTracer, che può essere configurato per acquisire anche curve in modalità ultralineare. Tuttavia, per motivi precedentemente menzionati (e a causa di una mancata implementazione software), uTracer acquisisce curve dinamiche solo al di sotto della tensione specificata (quella delle linee tratteggiate di Genalex). Per comprendere appieno il fenomeno delle curve dinamiche, ho quindi evidenziato con un pallino nero un punto intermedio corrispondente a 300 volt, con la griglia di controllo G1 a una tensione di -25 volt.

Con una tensione di “stop” a 400 volt abbiamo 80mA a 200volt con G1 a -25…

Se portiamo la tensione di “stop” a 300volt la corrente misurata sempre sui 200volt con -25 di G1 scende a un pò meno di 40mA

Se poi abbassiamo ulteriormente la tensione di “stop” a 250volt ci ritroviamo una corrente inferiore ai 20mA

Inoltre, si può notare che la capacità di erogazione di corrente della valvola diminuisce notevolmente, mentre la sua resistenza interna aumenta, come evidenziato dalla pendenza delle curve. Questo implica che la capacità di erogare corrente e quindi potenza è notevolmente compromessa. Ad esempio, a una tensione di ‘stop’ di 400 volt, la valvola potrebbe raggiungere un picco di 170mA a 50 volt, ma solo 60mA con una tensione di ‘stop’ di 250 volt.

Se ciò non bastasse, la modifica della pendenza delle curve richiede anche la modifica dell’impedenza del trasformatore per evitare forti distorsioni. La potenza erogata all’altoparlante è quasi la stessa (o insignificativamente superiore) a quella ottenuta con una connessione a triodo puro. Tuttavia, in modalità triodo puro, la valvola risulta estremamente più lineare. In definitiva, se non si intende utilizzare la valvola in modalità pentodo puro, potrebbe essere più vantaggioso utilizzarla in modalità triodo puro senza neppure considerare l’opzione dell’ultralineare.

È importante notare che tutte queste considerazioni riguardano l’uso in classe A (sia single-ended che push-pull), in cui la tensione del punto di lavoro non è elevata e le curve UL a diverse tensioni non sono conosciute. La connessione ultralineare è stata concepita per essere utilizzata in push-pull in classe AB, dove la tensione a riposo è elevata. In queste condizioni, la valvola funziona bene e offre vantaggi in termini di distorsione e talvolta anche di potenza. Ad esempio, le KT88 possono erogare solitamente fino a 50 watt in modo sicuro in un push-pull in classe AB a pentodo. Oltre questa potenza, la griglia schermo inizia a mostrare segni di stress a causa dei picchi di corrente quando la tensione di placca scende al di sotto della tensione dello schermo. Tuttavia, quando le KT88 sono connesse in modalità ultralineare, è possibile ottenere tranquillamente 70/75 watt senza problemi di arrossamenti della G2, grazie al controllo migliore della corrente.

Ora esaminiamo questa retta di carico con un punto di lavoro a 425 volt, una corrente di 75mA, una tensione di griglia di controllo di -50 volt e un’impedenza del trasformatore di 6k…

In questa simulazione, otteniamo una corrente di 66mA, che è molto vicina ai valori previsti (piccole imprecisioni possono essere attribuite al modello matematico utilizzato). In questo caso, la corrente di bias torna ai valori attesi poiché ho selezionato un punto di lavoro sulla linea tratteggiata del datasheet a 425 volt. Questo dimostra la validità delle mie affermazioni finora esposte. Vediamo come si comporta se pilotato con un segnale sinusoidale:

E ancora una volta, il segnale in uscita mostra una forte distorsione e non soddisfa le aspettative. Si può notare una semionda fortemente schiacciata, ma quale potrebbe essere la causa di questo problema? L’asimmetria delle curve UL è chiaramente visibile; è sufficiente aprire le immagini e osservarle attentamente. Sulla sinistra, i passaggi tra le curve sono visibilmente più larghi rispetto a quelli sulla destra del grafico, indicando che le due semionde riprodotte da un punto di lavoro ipotetico X saranno sempre una allungata e l’altra accorciata. Questo fenomeno è intrinseco alla connessione ultralineare e rappresenta una delle ragioni per cui il circuito è stato concepito per l’uso in push-pull, in cui questa distorsione viene mutualmente annullata dalla valvola gemella che lavora in fase opposta.

È possibile vedere il comportamento di un circuito reale in questo articolo, all’inizio del quale prendo in esame un’amplificatore che utilizzava una KT88 in single ended UL su carico di 6k, di cui posto qui sotto la forma d’onda catturata (in giallo il segnale del generatore e in blu quello che esce dal circuito).

Come è possibile osservare, il comportamento riproduce fedelmente quello delle simulazioni. Inoltre, desidero sottolineare alcuni altri aspetti evidenziati dai miei esperimenti:

1. La KT88 in modalità SE ultralineare è in grado di erogare effettivamente circa 6 / 6,5 watt, ma con una forte distorsione che potrebbe essere considerata inaccettabile, e richiede uso di controreazione a meno che non siate appassionati della distorsione, ovvero ‘distorsofili’.
2. La KT88 a pentodo arriva a erogare 12watt con uso di controreazione.
3. La KT88 connessa a triodo arriva a erogare circa 5 / 5,5watt a triodo con basse distorsioni.

La mia conclusione personale è che, se si sta lavorando in modalità single-ended con un pentodo o lo si utilizza a pentodo per ottenere potenza, o lo si connette a triodo per ottenere linearità, la connessione ultralineare non offre alcun vantaggio significativo. La maggiore potenza rispetto alla connessione in triodo è insignificante, mentre la distorsione è troppo alta e richiede l’uso di controreazione. In questo caso, sarebbe più sensato utilizzare un pentodo puro, dove almeno si dispone di una maggiore potenza. Oppure se vuole linearità e si usa la valvola a triodo. Io vedo l’uso della connessione UL nei Single Ended (sopratutto se zero feedback) solo come un modo per ottenere distorsione. Ovviamente tutto questo ha valore per l’uso nei single ended, mentre nei pushpull l’uso della connessione UL porta grandi vantaggi.

E a questo proposito, vorrei segnalare un’alternativa migliore alla connessione ultralineare, che è la connessione Shadeode. Questa configurazione può essere utilizzata anche in modalità single-ended e offre la piena potenza di un pentodo unita alla linearità di un triodo. Presenta inoltre interessanti vantaggi, come un elevato fattore di smorzamento e basse rotazioni di fase, aspetti in cui la connessione single-ended ultralineare fallisce miseramente.