Considerazioni importanti sulla valvola 5998A e altre valvole regolatrici

La valvola 5998A è progettata principalmente per fungere da valvola di uscita a inseguitore catodico in applicazioni come regolatore di tensione in serie. La sua caratteristica più significativa è il suo valore eccezionalmente basso di resistenza interna (Ri), nominalmente di 350 ohm, che consente alla valvola di fornire fino a 250 mA con una caduta di tensione anodo-catodo inferiore a 50V. È importante sottolineare che queste specifiche di funzionamento si applicano a ciascuna metà della valvola. La valvola 5998A non è stata originariamente progettata per essere utilizzata in applicazioni audio. Come già detto in origine, è stata creata per essere impiegata come regolatore di tensione in alimentatori stabilizzati. Quando utilizzata in applicazioni audio, la valvola può presentare problemi che non erano rilevanti nel suo utilizzo originale.

Una delle principali sfide nell’utilizzo della valvola 5998A in applicazioni audio riguarda l’instabilità del bias. Nel corso del tempo (minuti, ore), il bias può variare significativamente, causando problemi di polarizzazione, linearità e sovraccarico delle alimentazioni, soprattutto se i circuiti di bias non vengono implementati correttamente. Gli audiofili che desiderano utilizzare questa valvola per scopi audio devono prestare particolare attenzione a questi aspetti e adottare misure appropriate per affrontarli.

La sua costruzione presenta una forma particolare per garantire che i fili della griglia rimangano sufficientemente raffreddati per prevenire l’emissione di elettroni, anche verso la fine della vita della valvola, quando materiale attivo dalla superficie del catodo potrebbe essersi depositato sulla griglia. La valvola 5998A ha una struttura che comprende un catodo piatto, una griglia di controllo avvolta tra aste scanalate e un’anodo diviso in due sezioni a forma di “U” piatte, una su ciascun lato del catodo.

Gli elettrodi al suo interno sono vicinissimi e proprio per questa estrema vicinanza essa è soggetta a derive importanti del bias dovuta alla deformazioni meccaniche degli stessi elettrodi quando questi variano di temperatura, sempre a causa della vicinanza tra gli elettrodi bisogna stare molto attenti a non oltrepassare le tensioni massime ammesse per non rischiare che avvengano scariche interne, che potrebbero anche distruggere la valvola o guastare l’amplificatore su cui sono montate.

Pertanto, sebbene la valvola 5998A possa essere utilizzata in applicazioni audio, gli audiofili devono essere consapevoli delle sue peculiarità e delle sfide associate al suo utilizzo, ossia la corretta implementazione del bias.

È importante sottolineare che le considerazioni e gli avvertimenti riguardanti l’instabilità delle caratteristiche si applicano a tutte le valvole regolatrici, comprese le 6AS7, le 6080, le 6336 e le 6C33. Queste valvole condividono la tendenza a presentare una forte instabilità delle caratteristiche di placca durante il riscaldamento e di avere derive molto grandi e che si compiono in lunghi tempi di riscaldamento. Questa instabilità non era un problema nel loro utilizzo originale, queste valvole operavano all’interno di circuiti con una retroazione molto forte che compensava efficacemente le derive. Tuttavia, quando vengono utilizzate in applicazioni audio questa instabilità può diventare un problema significativo. È importante comprendere le peculiarità di queste valvole e adottare le misure appropriate per garantire un funzionamento stabile e affidabile nel contesto audio.

Analisi dei difetti nel progetto Triodino 2

Nel mondo dell’autocostruzione audio a valvole, mi ritrovo ancora una volta a evidenziare inconvenienti. Non posso fare a meno di notare che ci sono numerosi schemi e progetti che circolano da oltre 25 anni, pieni di errori, senza che nessuno si sia mai accorto o abbia avuto la volontà di correggerli. Sembrerebbe che l’unico criterio di giudizio sia che l’apparato “suoni”, senza prestare attenzione a una progettazione accurata come la ritengo necessaria. Questo articolo nasce dalla richiesta di “P.C.” di un set di trasformatori per realizzare un progetto trovato su una vecchia rivista, chiamato Triodino 2 con la valvola 5998A. Di seguito, allego lo schema che mi è stato inviato:

Ormai ho imparato a non fidarmi ciecamente degli schemi provenienti da internet, riviste e libri scritti da vari “guru”. Appena ho dato un’occhiata a quei 350 volt, mi è subito venuto il sospetto. Ho consultato il datasheet della valvola 5998A e ho scoperto che è essenzialmente una versione leggermente potenziata della 6AS7 o 6080, differendo solo per la massima dissipazione di potenza, che è di 15 watt per la placca rispetto ai 13 watt della 6AS7 e della 6080 e ha un mu superiore. Per il resto, le tre valvole sono praticamente identiche.

Facendo alcuni calcoli semplici, ho notato che la resistenza di catodo indicata è di 1k e viene specificato un voltaggio di 53 volt. Applicando la legge di Ohm (I = V/R), la corrente che scorre attraverso la resistenza di catodo è di 53 mA. Se sulla placca sono presenti 350 volt, sottraendo i 53 volt che cadono sulla resistenza, sulla valvola rimangono 350 – 53 = 297 volt. Pertanto, la potenza dissipata è di 297 * 0,053 = 15,74 watt, già leggermente oltre il limite massimo di dissipazione consentito per la 5998A. Il secondo problema sono quei 297 volt che cadono sulla 5998A…

Ora, diamo un’occhiata ad un estratto del datasheet della 5998A…

Il sottotitolo della sezione recita “Valori ASSOLUTI” e poco più avanti si legge “Tensione di placca continua = 275V”, che indica la massima tensione fissa che la valvola può tollerare in modo sicuro. Tuttavia, in questo progetto, si applicano 297V, superando il valore massimo specificato. È importante sottolineare che è sottointeso e buona pratica far funzionare una valvola SOTTO i suoi valori massimi. Nel caso di valvole regolatrici di tensione come questa, è particolarmente importante rispettare i valori massimi di tensione di placca, poiché la loro costruzione interna prevede distanze ridotte tra i vari elettrodi (catodo, griglia, placca come si vede nella foto poco sopra) per ottenere resistenze interne molto basse. Di conseguenza, l’isolamento tra questi elementi si riduce drasticamente. Inoltre, è necessario considerare le dilatazioni termiche dei metalli. Superare questi limiti significa mettere a rischio la valvola con il pericolo di scariche interne. Le voci di coloro che affermano di averlo fatto senza problemi sono irrilevanti. I datasheet sono considerati come una guida affidabile, chi nel passato ha progettato la valvola sapeva quello che faceva più di quelli che fanno chiacchere da bar.

Inoltre, ho effettuato una simulazione del circuito in questione per verificare i dubbi riguardo all’impedenza corretta del trasformatore (2500 ohm). Lo screenshot che segue mostra chiaramente la presenza di distorsione armonica, senza necessità di analisi spettrale. È evidente anche una forte compressione nella semionda di salita, causata dalla bassa resistenza di ancoraggio della griglia finale (100k, troppo bassa), che sovraccarica il triodo pilota dell’ECC81.

Nel contesto di questo progetto, i famosi “8 Watt Sopraffini” si sono distinti, ma in realtà, non sono nemmeno 7 watt RMS pieni prima che si verifichi il clipping. Questa valutazione è basata su simulazioni, ma nella realtà potrebbero essere raggiunti solamente 3 o 4 watt effettivi RMS. Ho sollevato questi dubbi a “P.C.” (forse sono stato il primo ad avere il coraggio di farlo in 25 anni? O forse semplicemente sono l’unico a essermene accorto?), e mi ha confessato che anche lui aveva qualche sospetto in merito, ma non osava dire nulla poiché è solo un appassionato. Tuttavia, mi ha informato dell’esistenza di uno schema modificato, sempre pubblicato dagli stessi autori, che rappresenta un ritorno sui loro passi. Di seguito, puoi trovare lo schema modificato:

Probabilmente dopo un fuoco d’artificio, in questa variante, hanno cercato di correggere gli errori presenti nello schema precedente, abbassando la tensione che arriva alla valvola a 257 volt, finalmente rientrando nei limiti consentiti, con una dissipazione di 11 watt (un valore conservativo anche per una 6AS7/6080). Tuttavia, un errore persiste ancora nello schema: viene indicato di utilizzare la valvola raddrizzatrice 5U4 o, in alternativa, la GZ34. Tuttavia, queste due valvole raddrizzatrici presentano cadute di tensione diverse a causa delle loro diverse resistenze interne e limiti di corrente. Di fatto, se con una 5U4 si avrebbero 300 volt sulla placca della 5998, con una GZ34 si avrebbero 340 volt… e questa non è una differenza irrilevante! Una differenza irrilevante sarebbe stata se avessero indicato di sostituire la 5U4 con una 5X4 (sento già le voci di certi personaggi che iniziano a fare osservazioni sul fatto che la 5X4 era utilizzata nelle TV e nelle radio, non essendo considerata una valvola “audio” e così via… Ma la 5U4 e la 5X4 sono ESATTAMENTE la stessa valvola con connessioni sui pin dello zoccolo differenti. Punto, basta e finita la questione! Ne ho sentite abbastanza di queste inutili polemiche).

Tuttavia, l’uso della GZ34 richiede un trasformatore con una tensione più bassa o, almeno, un qualche accorgimento come una resistenza in serie alla valvola per smaltire l’eccesso di 40 volt. Ma niente, ancora una volta, si lasciano le cose al caso. Poi sui forum si legge di persone che parlano del diverso suono delle valvole raddrizzatrici, ma con schemi del genere, la differenza di suono deriva semplicemente dal fatto che cambia la tensione del circuito. Con 40 volt in più, sfido a dire che non ci sarà una distorsione minore e un po’ più di potenza, ma si spinge nuovamente la finale oltre le sue possibilità…

Continuando con le modifiche apportate al secondo schema del Triodino 2, è evidente che anche il trasformatore è stato modificato con un’impedenza di 3200 ohm, più adatta alla valvola utilizzata. Inoltre, è stata mantenuta una presa a 2500 ohm per coloro che desiderano ottenere una maggiore distorsione. È importante notare che l’aumento dell’impedenza riduce la distorsione ma comporta anche una diminuzione della potenza erogata, secondo quanto dichiarato dagli autori, che cala a 3,5 watt effettivi. A fini di completezza di questo articolo, desidero anche menzionare il progetto Lilliput, che è molto simile a quelli appena descritti. Di seguito, riporto velocemente lo schema del progetto Lilliput:

Nel progetto Lilliput, la tensione di placca della valvola 6080 è notevolmente ridotta, il che la fa funzionare in modo estremamente conservativo. La potenza resa supera di poco i 2 watt su un trasformatore con un’impedenza di 1400 ohm. Il tasso di distorsione riscontrato non differisce da quello mostrato nello screenshot di LTspice che ho condiviso in precedenza. Durante la nostra conversazione con “P.C.”, è emerso che era interessato anche alla possibilità di utilizzare entrambe le sezioni della valvola in parallelo per ottenere una maggiore potenza. Mi ha condiviso questa immagine JPEG, ottenuta attraverso una faticosa ricerca su Google, che mostra un grande sforzo progettuale:

In realtà, trasformare il Triodino 2 in una versione PSE richiede solo pochi accorgimenti per far lavorare al meglio i due triodi parallelati. E no, non si tratta semplicemente di mettere due resistenze di catodo con due condensatori separati per ogni triodo. Lo dico per smentire coloro che, passando su questa pagina e vedendo lo schema premium non leggibile, potrebbero pensare: “Chissà cosa nascondi, si capisce…”. Non è come pensi! Siccome alcune persone considerano le soluzioni banali, nonostante nessuno sia mai arrivato a scoprirle in trent’anni, ritengo giusto tenerle per me. Chiunque sia interessato può acquistare lo schema e i trasformatori.

La seconda cosa è che se un triodo funziona bene su un’impedenza di 3200 ohm, quando si mettono in parallelo due triodi, l’impedenza deve essere ridotta a 1600 ohm. La corrente raddoppia e l’impedenza si dimezza. Ovviamente, il trasformatore d’uscita deve essere calcolato per lavorare con quella corrente continua specifica e con una valvola che ha una resistenza interna dimezzata. Non come coloro che prendono un trasformatore X pensato per mezza 6080, poi parallellano la 6080, raddoppiano la corrente nel trasformatore e pensano che vada bene. In realtà, il trasformatore si satura e i bassi non escono come dovrebbero. Inoltre, bisogna considerare che l’assenza di feedback negativo può causare fastidi.

Ho ritoccato i valori di taglio della cella formata dal condensatore di disaccoppiamento e la resistenza di ancoraggio della finali per spingere meglio in basso il circuito, ho aggiunto qualche accorgimento sull’ingresso e sui catodi di entrambe le valvole. Il circuito usa una ECC81 come pilota della 5998A e il guadagno complessivo è tale per cui bastano 1,7Vpp in ingresso per portare la finale alla saturazione, essendo quindi bello sensibile come circuito e avendo sulla carta uno smorzamento di solo 2,9 (nella realtà sarà inferiore, stimo non superiore a 2) ho pensato bene di aggiungere una rete di controreazione disattivabile con un’interruttore. Ad anello aperto è praticamente il circuito originale solo PSE con poche marginali migliorie mentre con la controreazione attiva la sensibilità del circuito cala a 3Vpp per avere il pieno clipping della finali, lo smorzamento aumenta considerevolmente ad un tasso che nel reale dovrebbe quanto meno raggiungere un fattore di 5. La potenza raggiungibile in questa configurazione nella simulazione raggiunge i 9,2 watt prima del clipping nel mondo reale potrebbero essere 7 massimo 8Watt RMS prima del clipping, questa volta veri e non numeri gettati a caso come fanno praticamente tutti tranne me.

Ho ricalcolato il trasformatore di alimentazione e lo stadio con la raddrizzatrice e la cella CLC, ci sono stato dentro con una 5U4GB o una 5X4G. La GZ34 non è contemplata. Per me le cose devono essere precise.

Ecco lo schema premium

Ecco qui, dopo circa 2 anni, le prime foto del montaggio di Cesare

Problemi a non finire !

Ammetto di non sapere tutto; per imparare certe cose, è necessario sperimentarle. Il cliente che doveva realizzare questo progetto continuava a riscontrare problemi di funzionamento. Nonostante l’amplificatore “suonasse bene” (secondo lui), essendo un lettore del mio sito, si sentiva spinto a misurare e verificare diverse cose. Alcune di queste misurazioni non tornavano e mi rivolgeva domande. Alla fine, i problemi rimanenti, con il senno di poi, sembrano banali (anche se, come vedremo, non sono trascurabili), ma risolverli non è stato un compito semplice.

E ancora una volta, mi viene in mente quanta gente, nel corso di 25/30 anni, abbia assemblato questo progetto senza mai accorgersi di nulla. In pratica, il costruttore medio si limita ad accendere l’apparecchio e a essere soddisfatto finché non prende fuoco o non emette rumori strani. Non si preoccupa di indagare, misurare o verificare se l’apparecchio funziona davvero al meglio delle sue possibilità. Tutto ciò è triste.

Il cliente lamentava diversi problemi con il suo montaggio, tra cui la presenza di distorsione alle basse frequenze proveniente dal trasformatore d’uscita. Inoltre, la tensione sulla resistenza di catodo delle 5998A non era quella corretta e vi erano significative differenze nelle tensioni di bias tra i triodi delle due sezioni. Queste differenze variavano considerevolmente nel corso del tempo, dopo 30 minuti, un’ora o due ore, con variazioni enormi che non potevano essere ignorate per la salute dei trasformatori d’uscita, della valvola raddrizzatrice e delle stesse 5998A. È importante sottolineare che, sulla carta, il bias avrebbe dovuto essere di circa 50mA per ogni triodo, ma in realtà poteva variare fino a 200mA per triodo. Era una situazione ingestibile, così come il calore generato dalle resistenze di bias. Inevitabilmente, il trasformatore d’uscita presentava problemi di saturazione a causa della corrente che superava di gran lunga i 110mA per cui era stato progettato, arrivando quasi a 300mA in certi momenti.

Ho dovuto intervenire in aiuto a “P.C.”. Nonostante abbia provato diverse coppie di valvole, NOS a pure costose, vendute come “match”, la situazione non migliorava. La polarizzazione in self bias non era praticabile, così come quella a bias fisso, poiché in entrambi i casi si sarebbe dovuto regolare il bias ogni 5 minuti, il che era inaccettabile. L’unica soluzione era adottare un circuito di servobias, che consiste in un circuito attivo che utilizza un opamp configurato come comparatore. Questo circuito rileva la tensione su una piccola resistenza in serie al catodo di ogni triodo e si occupa di regolare la tensione negativa di griglia, garantendo che il bias di ciascuno dei 4 triodi sia sempre mantenuto allo stesso valore desiderato.

Sorgeva però un altro problema: se avessi voluto polarizzare le 5998A a bias fisso, avrei dovuto eliminare la resistenza sotto al catodo, dove cadevano circa 100 volt. Ciò avrebbe comportato una differenza di potenziale troppo elevata tra il catodo e l’anodo della 5998A. Era assurdo dover scartare il trasformatore di alimentazione solo perché forniva troppa tensione. Ho quindi pensato di adottare un’alternativa: un’ alimentazione a ingresso induttivo con una cella LCLC (questo farà sicuramente sbavare alcuni audiofili). L’ingresso induttivo avrebbe permesso di non moltiplicare per 1,41 la tensione raddrizzata, consentendo di ottenere una tensione anodica filtrata più bassa senza dover sostituire il trasformatore di alimentazione. Tutto ciò di cui avevo bisogno era mettere a punto un’induttanza apposita per questo scopo. È importante notare che le induttanze per l’ingresso induttivo devono essere costruite in modo diverso rispetto a quelle tradizionali di livellamento, per evitare vibrazioni e rumori nell’alimentazione. Nella foto sottostante stavo sperimentando l’induttanza di ingresso induttivo e sono riuscito ad ottenere un ottimo risultato al secondo tentativo.

Quindi, dopo aver implementato il servobias e creato un’induttanza di ingresso, i problemi di questo circuito iniziarono a diminuire gradualmente. Tuttavia, l’ultima sfida che mi si presentò fu un’auto-oscillazione RF intorno ai 3 MHz generata dalle finali. Inizialmente, pensai che potesse essere dovuta a un’instabilità nel circuito di controreazione, nonostante fosse presente solo in minima parte. Tuttavia, anche dopo aver scollegato completamente l’ECC81 dallo zoccolo, l’oscillazione persisteva. In pratica, le 5998A oscillavano spontaneamente da sole! Richiamando alla memoria esperienze passate, sapevo che il collegamento in parallelo delle valvole spesso portava a problemi di stabilità. Ricordai di aver visto negli schemi di alcuni alimentatori Geloso o HP (non ricordo di preciso), che utilizzavano le 6AS7 o le 6080, dove non collegavano direttamente i due anodi, ma inserivano due resistenze in serie da 10/15 ohm, come mostrato qui di seguito:

Fatto sta che messe 2 resistenze da 10ohm tra i 2 anodi e il primario del trasformatore d’uscita l’oscillazione si è immediatamente arrestata!

A circuito finalmente stabile ho provveduto a cambiare le resistenze di ancoraggio delle griglie delle finali dal valore del progetto originale (troppo piccole che sovraccaricavano il driver) con altre da 390k riuscendo finalmente anche a pilotare decentemente queste benedette 5998A.

Tutti i problemi che sono sorti sono dovuti al desiderio di apportare il minor numero di modifiche possibile al progetto originale, ma alla fine è rimasto ben poco di esso, se non l’idea di base e il set di valvole. Inoltre, la povera ECC81 riesce a pilotare la 5998A, ma fatica a farlo con una 6AS7 se sostituita nello zoccolo. Le 6AS7/6080 offrono un guadagno inferiore e la ECC81 raggiunge i suoi limiti, non riuscendo a fornire una maggiore potenza. Forse con un solo triodo, o con due triodi in parallelo, potrebbe essere diverso, ma non ne sono sicuro. In ogni caso, ci sono persone che lodano il Triodino 2, ma hanno valvole che driftano nel bias e trasformatori che si saturano di corrente continua. Alcuni hanno apportato modifiche per ottenere una configurazione PSE, e inconsapevolmente fanno ascoltare Rebecca Pidgeon agli abitanti dello Zimbabwe, dove ancora si utilizzano ricevitori a onde tropicali in modulazione di ampiezza. Poi ci sono coloro che leggono e si infuriano perché secondo loro il suono è buono (ma non hanno mai verificato se funziona perfettamente, perché potrebbe suonare ancora meglio). Ci saranno quelli che hanno avuto la fortuna di trovare valvole eccezionalmente ben fatte e non hanno avuto problemi, ma arriverà il giorno in cui dovranno sostituirle. Altri diranno che le valvole devono essere selezionate e quelle di qualità inferiore scartate, ma vorrei dire che questa è la natura di queste valvole e non possiamo scartare la maggior parte di esse considerandole difettose, tenendo solo quelle che miracolosamente funzionano come desideriamo. Non sono le valvole ad essere difettose, sono gli schemi a cui vengono applicate. Se queste valvole hanno una tale natura, è necessario implementare un circuito che ne tenga conto anziché gettarle via come se fossero difettose!

Nel video qui di seguito, mostro il funzionamento del servobias. Utilizzando un tester, misuro la tensione negativa di griglia dei quattro triodi. In quel momento, tutti e quattro i triodi erano perfettamente regolati a 55mA ciascuno, ma la tensione negativa alle quattro griglie non è uniforme, come si può vedere. Se fossimo stati lì ad osservare nel corso delle ore, avremmo notato che la tensione negativa fornita dal servobias alle valvole variava continuamente, mentre la corrente sotto i catodi rimaneva costante. Questa è la differenza tra utilizzare un servobias e un bias fisso tradizionale: con il servobias, puoi goderti la musica senza dover continuamente regolare un trimmer.

Ad ulteriore prova della problematicità di questo tipo di valvole potete leggere questo articolo dove un cliente ha voluto costruire un single ended con la 6C33 con bias fisso tradizionale (trimmer e strumentino a lancetta) non seguendo i miei consigli in merito e dopo pochi mesi mi ha chiesto come implementare un servobias perchè non ne poteva più di essere sempre li a ritoccare il trimmer per rimettere al suo posto il bias delle 6c33.

Mentre questo amplificatore da cuffie OTL con le 6080 con bias self è andato bene per un certo periodo poi a un bel giorno si brucia la resistenza di catodo di una delle 2 e scoppia il condensatore che c’era in parallelo, ma la valvola testata successivamente risultava ancora perfettamente funzionante.

Tra le cose che ho fatto ho aiutato anche “P.C.” ad avere un cabinet più bello, il primo che aveva fatto 2 anni fà era ormai stato demolito…

Puoi vedere altre decorazioni (e tante altre immagini che ho creato) accedendo alla mia galleria su deviantart…

Peccato solo quella vena nel legno 👿 

Ora un pò di misure; la potenza prima del clipping è circa 7,7watt, il fattore di smorzamento pari a un fattore 5.0. La banda passate 10Hz -0,4dB / 22khz -1dB.

E pensate che, nonostante il trasformatore d’uscita abbia solo circa 10Henry di induttanza primaria, si raggiunge ancora una risposta in frequenza di -0,4 dB a 10 Hz. In realtà, come ho spiegato in un altro articolo, l’induttanza primaria è correlata alla resistenza interna della valvola. È importante sottolineare questo punto perché ci sono persone che continuano a diffondere l’idea che i trasformatori debbano avere induttanze primarie astronomiche per funzionare correttamente, ma in realtà stanno fornendo informazioni errate che confondono le persone… Oltre a commercializzare trasformatori che spesso non corrispondono all’induttanza dichiarata, oppure hanno effettivamente tale induttanza ma saturano quando vengono attraversati dalla corrente continua delle valvole.

L’unica piccola pecca del mio trasformatore d’uscita sembra essere una microscopica risonaza che si vede anche a 4,185khz, veramente insignificante e da non escludere siano sempre le 5998 a farlo e non il trasformatore.

Vediamo la risposta sul carico reattivo…

THD a 1watt circa 1%

Le quadre a 100Hz – 1khz – 10khz

Nota finale: Desidero sottolineare che non intendo essere costantemente critico nei confronti dei progetti altrui. Tuttavia, quando mi viene richiesto di fornire trasformatori per il montaggio di progetti non miei, non posso evitare di far notare eventuali errori presenti (se ce ne sono) e suggerire soluzioni e miglioramenti. Questo perché, in casi come questi, gli errori negli schemi possono causare malfunzionamenti che il cliente potrebbe erroneamente attribuire tali problemi alla qualità dei miei trasformatori. La mia intenzione non è essere antipatico, ma piuttosto offrire un supporto completo affinché il progetto funzioni al meglio delle sue potenzialità.