Meglio transistor o valvole?

Meglio transistor o valvole?
Per amplificazione si intende l'incremento della potenza di un segnale. La potenza è il prodotto di tensione e corrente, quindi avremo amplificazione se otterremo un incremento di uno o entrambi i fattori.Un tempo per amplificare i segnali si usavano le valvole termoioniche dette anche tubi a vuoto ("valves" in UK e "tubes" in USA).
Nella sua forma più rudimentale la valvola è un bulbo di vetro, metallo o ceramica contenente catodo e anodo, due elettrodi posti ad elevata differenza di potenziale.
Una griglia metallica viene interposta tra i due elettrodi. Il segnale da amplificare viene applicato sulla griglia e questo "modula" il flusso di elettroni. Ritroveremo quindi tra i due elettrodi un segnale che segue l'andamento di quello di griglia, ma a tensione molto superiore.
Già da decenni il transistor ha soppiantato la valvola nella quasi totalità delle applicazioni.
Il transistor è costituito da un un pezzetto di silicio opportunamente trattato con processi fisico chimici fino ad ottenere una struttura che "mima" il comportamento della valvola. Ha tre terminali che prendono nomi diversi a seconda del tipo di transistor:
  • Emettitore, base e collettore ed emettitore nei transistor bipolari a giunzione (BJT)
  • Source, gate e drain nei transistor a effetto di campo (FET)
  • Gli unici campi dove le valvole mantengono una sostanziosa presenza sono nel campo delle altissime potenze e negli amplificatori per chitarra.

    I motivi del successo dei transistor si possono riassumere in costo inferiore, maggiore durata, minore dispersione delle caratteristiche (sia nel tempo che tra transistor diversi dello stesso tipo), dimensioni assai contenute, superiore robustezza meccanica, minore potenza dissipata, migliore rendimento.
    La possibilità di essere rimpiccioliti fino al microscopico ne permette l'integrazione di decine di milioni di unità su una piastrina (chip) di pochi mm quadrati con evidenti vantaggi dal punto di vista informatico.
    I vantaggi del transistor vengono meno in applicazioni di elevata potenza dove diventano antieconomici, e assai meno inclini a sopportare "maltrattamenti" termici ed elettrici.
    Perché allora l'amplificazione della chitarra, viste le basse potenze in gioco, ha visto la valvola mantenere una posizione di prestigio?
    In hi-fi, dove l'obiettivo è la ricerca della purezza sonora, un amplificatore valvolare offre minimi vantaggi rispetto ad uno "allo stato solido". L'elevatissimo costo degli impianti valvolari "esoterici" ne ha ristretto l'utilizzo a una ristretta cerchia di appassionati.
    Nella chitarra elettrica invece si ricerca la distorsione come abbellimento sonoro. Ed è proprio in distorsione che il diverso carattere di valvole e transistor emerge in maniera tutt'altro che trascurabile.

    Ma cos'è la distorsione?
    Per distorsione in senso stretto si intende una qualsiasi alterazione delle caratteristiche di un segnale, con la sola eccezione della sua ampiezza.
    In senso chitarristico invece per distorsione si intende un alterazione ben precisa, difficile da descrivere a parole, ma ben nota ad ogni chitarrista.
    Storicamente la distorsione è nata per caso, tramite l'utilizzo di amplificatori per voce spinti oltre il loro limite di funzionamento lineare. Riconosciuto l'inconveniente come musicalmente apprezzabile, si è cercato in seguito di riprodurlo di proposito, di migliorarne le caratteristiche e di renderlo disponibile a qualsiasi volume. Vi sono vari modi per ottenere distorsione, ma il modo più classico consiste nel saturare un elemento attivo.
    Abbiamo visto come un elemento attivo amplifichi un segnale, ma sia che si tratti di valvola o di transistor, vi sono dei limiti fisici all'amplificazione che un singolo elemento può fornire.
    Oltre una certa soglia, se continuiamo ad aumentare il segnale di ingresso, l'elemento va in saturazione.

    Cosa succede e che ripercussione ha la saturazione sul suono?
    Dobbiamo fare qualche passo indietro e aggiungere elementi alla nostra discussione.
    Per segnale periodico si intende un segnale variabile che si ripeta nel tempo.
    L'intervallo di una ripetizione viene detto periodo (t).
    L'inverso del periodo è detta frequenza (f).

    f = 1 / t

    Il segnale che esce dalla nostra chitarra non è periodico a tutti gli effetti, ma se prendiamo solo brevi intervalli di tempo lo possiamo considerare periodico.
    Difatti l'oscillazione della corda si ripete in maniera pressoché identica tra un oscillazione e quella immediatamente successiva.
    Esiste una teorema matematico, molto affascinante sebbene assai poco intuitivo, che afferma che una qualsiasi forma d'onda periodica si può scomporre in una somma di un certo numero (a volte infinito) di componenti sinusoidali.
    Se potessimo "fotografare" un periodo del nostro segnale di chitarra (e, in pratica, potremmo benissimo disponendo di un oscilloscopio...), vedremmo che assomiglia abbastanza a una sinusoide. Se lo sottoponiamo al nostro elemento attivo, ci ritroveremo in uscita un segnale il cui periodo avrà la stessa forma, ma di ampiezza superiore di un certo numero di volte.
    Aumentando via via l'ampiezza del segnale di ingresso ad un certo punto l'elemento attivo andrà in saturazione non riuscendo più a seguire l'andamento del segnale in ingresso. Più di tanta potenza non potrà fornire e quindi i picchi positivi e negativi del nostro segnale subiranno la cosiddetta "tosatura" (clipping).
    I transistor saturano molto nettamente, ed il clipping avviene tagliando di netto i picchi del segnale.
    Le valvole invece saturano progressivamente, ed i picchi subiranno uno schiacciamento arrotondato che via via tenderà ad appiattirsi maggiormente.
    Inoltre la semionda negativa subirà un clipping asimmetrico rispetto a quella positiva.
    Se andiamo a vedere la scomposizione armonica delle due onde distorte così ottenute vedremo come quella generata dalla valvola avrà armoniche prevalentemente pari, mentre il transistor prevalentemente dispari.
    Le armoniche pari tendono a produrre suoni giudicati più gradevoli di quelle dispari.
    Non ci illudiamo di aver esaurito l'argomento in due parole.
    La distorsione è un argomento assai complesso e ne abbiamo solo graffiato la superficie.
    Sebbene non sia vero in assoluto che un ampli a valvole debba suonare meglio di un ampli a transistor in ogni situazione, la cosa viene giudicata vera dalla maggior parte dei chitarristi nella maggior parte dei confronti, e la presenza sul mercato di un gran numero di amplificatori valvolari dovrebbe esserne l'indubbia riprova.
    Come ultima nota ricordiamo che i transistor non sono tutti uguali.
    Anche dal punto delle curve caratteristiche (le funzioni corrente-tensione) si può vedere come i MOS-FET (un tipo di FET) presentino curve assai simili ai pentodi (un tipo di valvola), e vengano spesso utilizzati per la loro somiglianza con le valvole al posto dei BJT.
    Anche se non mancano amplificatori di pregio a transistor, la maggior parte degli amplificatori con tale circuitazione vengono realizzati con lo scopo di contenere i costi ma non solo. Il costo delle valvole, la loro durata limitata, la loro delicatezza meccanica, il peso e le dimensioni dei circuiti valvolari possono in certi casi far preferire la soluzione a stato solido.
    Forse, siccome i finali a transistor non suonano bene in saturazione, se si sceglie il finale a stato solido converrebbe prenderne uno di potenza elevata in maniera da fare il suono col pre e lasciare che il finale lavori in zona lineare.
    Tutt'altro discorso meritano infine gli amplificatori digitali, dove i finali sono a transistor mentre il preamplificatore è digitale e la distorsione viene creata tramite emulazione software.
    Ma questa è un'altra storia che magari approfondiremo in una prossima lezione MusicOffili ^__^