BIAS... questo sconosciuto
In effetti non c'e' molto (magari!) da sapere....se non che, quando si parla di BIAS non si parla solo di valvolari ma di un concetto che in elettronica puo' essere associabile al termine "preimpostare"...
Ma cosa? Semplice, qualsiasi valore elettrico serva ad un circuito per funzionare correttamente!
Lasciando da parte i valvolari, il termine viene usato in tante applicazioni; ad esempio il BIAS nelle piastre di registrazione indica una corrente alternata di alta frequenza sovrapposta al segnale in fase di registrazione al fine di ridurre la distorsione (ingrandendo la foto della 
mia piastra TEAC V5000, c'e' scritto sui pot di regolazione:) oppure la polarizzazione di uno stadio a transistor in classe A per piccoli o grandi segnali al fine di fornire le prestazioni volute (riduzione di rumore, alta o bassa distorsione, etc etc). Tanto per curiosità riporto lo schema del fuzz Maestro FZ1 in cui il primo transistor....non e' polarizzato!
Nei vari tone bender del periodo e' facile vederli e le repliche ricalcano quasi fedelmente la cosa. Non avendo polarizzazione il segnale viene influenzato enormemente dalla configurazione. Uno dei segreti di questi oggetti risiede nel tipo di transistor utilizzato.
Nell'uso valvolaristico ;-) il BIAS indica la corrente da impostare sullo stadio finale dell'amplificatore; negli AB (in genere) per ridurre la distorsione di crossover...ma non solo! Facciamo un passo dietro.
A grandi linee i suoni vengono emessi dagli altoparlanti, gli altoparlanti non fanno altro che trasformare una corrente in segnale udibile.
Questa corrente deve essere proporzionale e riconducibile alla tensione che rappresenta il segnale che vogliamo amplificare. Nel caso di un pick-up, la tensione presente sul jack della chitarra o di un basso. L'altoparlante vuole corrente per essere "mosso". Presenta una resistenza interna piu' o meno variabile con la frequenza ma mediamente riconducibile ad un valore X. Per fornire questa corrente e' necessario l'uso di dispositivi in grado di trasmettere potenza agli altoparlanti generando appunto una tensione che applicata agli stessi fa scorrere la corrente necessaria.
In genere questi apparecchi sono le testate o i finali (rack :)...e nei combo? Andiamo al sodo...i pre, gli effetti, i mixer etc che si trovano tra chitarra/basso e casse servono unicamente per alterare i parametri della timbrica/fx dello strumento, ma alla fine di tutto c'e' una circuiteria che serve unicamente a trasformare tutto questo in potenza utile a muovere i coni.
Stiamo parlando degli stadi finali di potenza.
Lo stadio finale di potenza e' l'ultima parte elettrica di una testata o di un combo o finale. Essa puo' essere a transistor, a mosfet a valvole in configurazione classe A, AB , D etc...
Sinteticamente e maldestramente...nelle configurazioni in classe AB, il BIAS rappresenta il valore della corrente che scorre nei dispositivi finali per mitigare un "difetto" delle circuitazioni...la distorsione d'incrocio.
Il segnale audio
puo' essere visto come una serie di variazioni positive e negative di tensione attorno al valore di riferimento ZERO. Nelle configurazioni in classe A, basta n°1 dispositivo finale per amplificare tutto il segnale e fornire potenza all'altoparlante. Il BIAS (per i valvolari) in quel caso rappresenta la corrente di massima dissipazione di placca. La distorsione di crossover non esiste in questo caso. Nelle configurazioni in classe AB si deve utilizzare almeno una coppia di dispositivi finali (2n3055, EL34, IRF530 etc) dove uno fornisce potenza al segnale positivo e l'altro a quello negativo... in pratica il dispositivo che fornisce potenza nel fronte d'onda positivo del segnale, resta spento durante il funzionamento dell'altro che fornisce potenza per il segnale negativo e viceversa.
In assenza di segnale, l'assorbimento di corrente del finale potrebbe essere ZERO in quanto i due dispositivi non devono fornire alcuna corrente agli altoparlanti.
All'atto pratico, risulta necessario POLARIZZARE i dispositi con una corrente di BIAS...perchè?
Queste figure chiariscono meglio di 3000 parole il motivo...
Come si vede, in questo stadio finale a simmetria, in assenza di polarizzazione degli stadi finali vi è uno scalino sulla forma d'onda ai capi dell'altoparlante che provoca una distorsione di circa 7% (con un segnale di 5v di picco...minore sarà la tensione maggiore sarà la distorsione!). Quello scalino rappresenta il valore di tensione necessario al dispositivo finale per "iniziare a lavorare". Fornendo la tensione tra le due basi dei TR sufficiente a far scorrere 10mA, sparisce lo scalino e la distorsione scende a livelli accettabili, circa 0.5%. Polarizzando il tutto con 1A, quindi spostandoci verso la classe A otteniamo una distorsione di soli 0.003%. Nello schema riportato sopra (per assurdo :) superando i 30mA di polarizzazione la distorsione aumenta per poi diminuire di nuovo quando si va verso la classe A.
Ecco un esempio di circuitazione valvolare push pull.
Possiamo associare le valvole ai transistor dell'esempio riportato sopra; in più vi e' la necessità di interporre un trasformatore tra esse e l'altoparlante/cassa a causa del diverso funzionamento intrinseco dei dispositivi.
Il discorso affrontato sopra per i transistor, puo' essere applicato alle valvole. In assenza di polarizzazione, uno stadio push pull fornirebbe un segnale fortemente distorto. Per vari motivi i valvolari sono diversi dagli stato solido. Se negli SS quello che conta e' il valore di corrente di bias necessario a ridurre al minimo la distorsione di crossover restando nei parametri di progetto, nei valvolari ci sono anche altre considerazioni da fare; una su tutte, per i valvolari (per scopi musicali) quello che conta e' non sforare la massima potenza consentita dalle valvole finali cercando nel contempo la massima prestazione "musicale". Tutto questo viene definito all'atto della progettazione dell'oggetto facendo precise scelte indirizzate verso ottimizzazione dei parametri quali valvole, impedenza del trasformatore d'uscita, tensione di alimentazione, classe di funzionamento, BIAS etc.
Per curiosità, è possibile provare da soli cosa significa diminuire la corrente di bias a piacere...l'ampli si impoverisce, si spompa....al contrario invece....
E' diffuso il concetto che la corrente di BIAS debba essere mantenuta per una dissipazione di placca pari 
ad x% (classico il valore 70% per i Marshall). Questo e' profondamente errato.
Gli amplificatori possono lavorare in classe A, AB etc, su carichi o tensioni di alimentazioni (a parità di valvole) diversi per esigenze di progetto; ciò incide sulla corrente a riposo.
Uno degli elementi principali da tenere in considerazione è il trasformatore di uscita. Senza conoscere il suo valore, non sarà possibile calcolare la corrente che deve scorrere nelle valvole finali. Altro parametro fondamentale e' la tensione di alimentazione (tensione anodica). Qui mi soffermo un attimo per sottolineare che da alcuni anni la tensione di rete è diventata 230V. Alcuni affermano che era già cosi' precedentemente e che l'adattamento c'e' stato dal punto di vista normativo. Fatto sta che fin da bambino misuravo la tensione di casa con voltmetri analogici, poi digitali etc... difficilmente superava i 220V. Ora difficile trovarla sotto i 225V nella mia zona che e' disastrata. Questa piccola differenza si traduce in una variazione della tensione di alimentazione e bisogna tenerne conto. La percentuale non e' tantissima, ma esiste. Ad esempio un ampli progettato per funzionare a 220V avente una tensione di 450V, messo a 230V, avrà una anodica di 470V. Ipotizziamo che il trasformatore di uscita sia da 3K con una potenza delle valvole massima di 25W, risulta che:
con 450V --> Ibias = 32.6mA (58%)
con 470V --> Ibias = 26mA (48%)
...sto commettendo un errore del 10%! sulla potenza dissipata che corrisponde ad un errore assoluto di corrente di circa il 25%!!.
Per non parlare degli ampli che hanno già di loro una tensione diversa da quella teorica; qui ci si inoltra nel campo dei veri vintage!
Per i motivi riportati sopra, non e’ raro imbattersi in amplificatori (ne cito due a caso....Lombardi e Davoli) tarati in maniera scorretta all’atto della verifica...mettiamoci anche Binson ed un modello di Orange vecchio o "vintage" che puntualmente viene tarato a ciufolo.
Quando ci si trova a dover tarare amplificatori di cui non si conoscono i valori di riferimento, risulta necessario ricavarli perdendo tempo lavorando graficamente su carta. E' inutile ed anche pericoloso usare i calcolatori che si trovano facilemente in rete in quanto non tengono conto dell'impedenza del trasformatore di uscita e di altri fattori.
Mi è capitato, misurando amplificatori di cui teoricamente si dovrebbe sapere tutto, di trovare errori sulla corrente impostata. Un classico è sugli AB2 tarati con correnti che nel normale utilizzo distruggono le valvole.
.....…non c'e' cosa peggiore che tarare approssimativamente la corrente di BIAS!!!!
Tube BIAS calculator, unito ad un po' di confidenza ed accortezza nelle manovre da effettuare (evitando l’uso di plug costosi ed accessori vari), partendo da valori conosciuti o misurabili, mi permette (se vi interessa vi permetterà) di tarare il bias, ossia di CALCOLARE il valore limite teorico a cui può essere impostata la corrente di riposo
----> PER QUEL DETERMINATO AMPLIFICATORE <----
Sottolineo che all'interno di amplificatori a valvole possono esserci tensioni anche di 800V!!! In ambito Hi-Fi esistono amplificatori ad 1KV ed oltre!.....quindi, se non siete più che pratici, portate sempre da un tecnico specializzato il vostro apparato.
Semplicemente, la corrente che scorre a riposo (BIAS) nel primario del trasformatore di uscita, produce una caduta di tensione che possiamo misurare con un multimetro in Vcc sul trasformatore di uscita stesso.
Conoscendo la corrente che deve scorrere e la resistenza dell'avvolgimento del trasformatore, possiamo quindi tarare facilmente il bias al valore voluto.
Tube BIAS calculator calcola questa tensione partendo dai parametri base che sono:
• impedenza del primario (Zaa)
• tensione di lavoro delle valvole
• resistenza in cc del primario (R centrale-anodo)
• potenza delle valvole (ad esempio 25W per EL34).
• n° totale delle valvole finali
Perchè misurare sul trasformatore (dove c'è alta tensione!) e non sul catodo con la classica resistenza da 1 ohm di precisione o un plug ad innesto? Gli amplificatori maggiormente diffusi per strumenti musicali utilizzano la configurazione a pentodo piuttosto che a triodo. Questo significa che sul trasformatore misurerò solo la corrente che scorre nella placca mentre sul catodo si sommerà anche la corrente della griglia schermo. Tale corrente non e' elevatissima, ma provoca comunque un errore di taratura che può essere del 5% come del 15%.
Inoltre, resta il modo più veloce ed economico in assoluto!
Per tarare esattamente la corrente di bias sarà necessario eseguire delle misurazioni, anche ad amplificatore acceso.
1) Senza togliere le vecchie valvole, accendere l'amplificatore, impostare il multimetro su Vcc, prendere la misura della tensione di alimentazione (B+) che alimenta il trasformatore di uscita (centrale per PP) rispetto a massa. Annotare il valore (es: 440 V).
2) In caso di cambio valvole, spostare il puntale del positivo sulla tensione negativa di griglia di controllo, impostare il trimmer di regolazione in modo da leggere la tensione negativa massima; ad esempio, se troviamo -23v si gira il trimmer tutto da un lato in maniera da leggere un valore negativo maggiore (-40v? -30v? -55?). Questo ci consente di non correre il rischio, a valvole nuove, di far scorrere "troppa" corrente...il BIAS potrebbe essere stato ritoccato a valvole usurate. Spegnere l'amplificatore ed attendere qualche minuto. Se l'ampli e' munito di stand-by, posizionarlo in off per 15 secondi prima di spegnere completamente; questo consente di scaricare i condensatori di alimentazione. Se non dovete cambiare valvole, saltate il punto 2! (ma spegnete l’ampli ed attendete qualche minuto!)
3) Misurare la resistenza del primario del trasformatore di uscita:
Nel caso dei Push Pull questo valore va misurato tra il tap centrale ed il tap che va all'anodo della valvola. Impostare il multimetro su OHM. Puntale sull'anodo di una valvola o su un punto in cui identifichiamo il filo per l'anodo (che sarà poi di riferimento); l'altro puntale sul centrale (di solito B+ ai capi del primo condensatore di livellamento). Annotate il valore. (es: 24.8 ohm)
4) Ricaviamo i valori per la misura dell'"impedenza" primaria del trasformatore (se non la conosciamo):
colleghiamo il PlugPLX all’uscita casse (4, 8 o 16 ohm) dell'amplificatore (es 8 ohm). Alimentiamo con 9V presa tipica dei pedalini effetto per chitarra. Multimetro impostato su VAC; misurare la tensione ai capi del trasformatore (anodo-anodo). Annotare il valore. (es 19.6 V)
Al posto del PlugPLX, il cui unico scopo è di rendere tutto più veloce, si possono utilizzare varie alternative. In laboratorio non manca certo un generatore di funzioni. Altrimenti si può utilizzare un programma generatore di funzioni collegando l'uscita della scheda audio all'uscita jack casse. In questi casi, si dovrà annotare il valore della tensione (sinusoidale) immessa nel trasformatore in ingresso (ai capi del jack 4, 8, 16 ohm).
Si lancia Tube Bias
Si seleziona l'opzione 1 per ricavare il valore dell'impedenza di carico delle valvole ed immettiamo i valori annotati. (Se conosciamo l’impedenza del primario, si seleziona direttamente l’opzione 2).
Il programma presenta il dato nella schermata d'inserimento per il calcolo del Bias. (nell’esempio 3073). Inserire a questo punto i valori misurati e richiesti per il calcolo finale. Il dato “MAX dissipazione Valvola” rappresenta la massima dissipazione anodica in W delle valvole dell’amplificatore in taratura. (El84=12W, EL34=25W etc.)
Inserito l’ultimo valore, viene calcolato il "punto" di lavoro delle valvole per la massima corrente ammissibile fornendo la schermata riportata a sinistra utile per la taratura finale.
(click per ingrandire)
Sarà sufficiente (dopo aver inserito le nuove valvole) accendere l’amplificatore (collegato alla cassa o ad un carico!) e, intervenendo sul trimmer di regolazione, leggere il valore Vc-a trafo ai capi del primario del trasformatore nel punto in cui abbiamo preso la misura precedentemente.
(per l’esempio dovremo leggere 0.92v).
Dopo aver impostato il valore richiesto, attendere 15, 20 minuti e ritarare di nuovo.
FACILE & VELOCE
Esistono metodi per misurare e ricalcolare il bias in maniera corretta?
Sulla misura, ci sono molti metodi, ma sul valore reale da tarare, purtroppo la risposta e' no. O meglio, se non si prende in considerazione l'impedenza del trasformatore d'uscita, non e' possibile tarare lo stadio d'uscita in maniera corretta.
Misura: Come detto, senza modificare la circuiteria originale, il metodo piu' diretto e' quello di misurare il bias ai capi del trasformatore d'uscita. Pero', essendo punti ad alto potenziale, potrebbe risultare proibitivo dal punto di vista della sicurezza. In generale, nei valvolari ci sono moltissimi punti ad alto potenziale e per lavorarci bisogna prendere delle precauzioni e stare sempre molto attenti.
Volendo e' possibile modificare la circuitazione (dove non previsto!) ed inserire una resistenza di precisione 1% di basso valore sul catodo delle valvole finali. Basta misurare con un millivoltmetro ai capi della stessa per ottenere un valore che, purtroppo, non si avvicina alla reale corrente anodica a causa della corrente di griglia schermo dei pentodi che si sommano alla stessa. In questo caso basta misurare la tensione ai capi della resistenza che si trova sulla griglia per calcolare la corrente da sottrarre...ma siamo di nuovo coi puntali sull'alta tensione.
Si potrebbe andare verso Plug e computerini vari... i secondi li trovo veramente uno spreco, ma se abbiamo 250$ da buttare.... Con i plug il problema e' lo stesso.
Calcolo: Calcolare la corrente di bias da settare in un amplificatore senza utilizzare il valore del trasformatore di uscita; c'è un metodo che tenta di dare una risposta al problema, il metodo della "crossover distortion". Purtroppo ha tante (troppe!) controindicazioni.
Già il fatto che sia una operazione visiva la dice lunga. Provate a misurare la distorsione armonica con un oscilloscopio tramite la deformazione della sinusoide... inoltre questo metodo non tiene in considerazione la classe di funzionamento e la tipologia circuitale. Ad esempio, un ampli fortemente controreazionato puo' non mostrare la distorsione d'incrocio a causa della correzione dello stadio pilota (Phase Inverter). Un classe A o comunque un AB spostato verso la classe A viene tarato freddo, il contrario per un AB2 col rischio di portare a morte precoce le valvole.
I calcolatori on-line. L'esempio sopra riportato parla da solo.
Le valvole sono oggetti abbastanza diversi dai transistor. Il transitor, superando il limite 
massimo di potenza anche per pochissimo tempo, rischia di bruciarsi.
Le valvole essendo oggetti elettromeccanici possono essere spinti, per breve tempo, oltre le loro capacità senza intaccare nell’immediato l’integrità elettrica.
Il parametro che né risente maggiormente, è il tempo di vita della valvola.
In pratica, a causa dell’erogazione in potenza delle valvole non lineare con la potenza di uscita, sommata alla non linearità dell’impedenza dell’altoparlante (anche se reattiva) ed all’uso degli strumenti con concentrazioni armoniche entro piccoli range, tarando il bias per avere la massima potenza, quella media dissipata nell’utilizzo normale risulta essere, nella maggior parte dei casi, inferiore al teorico.
Possiamo quindi giocare con il valore di corrente per ottenere comportamenti a nostro vantaggio.
Se abbiamo amplificatori vintage con valvole di difficile reperibilità o dal costo esoso dove la durata delle valvole e’ uno dei parametri più sentiti, e’ possibile tarare freddo il bias, ossia diminuire la corrente a riposo per far aumentare il tempo di vita. Rispetto al valore calcolato da Tube Bias Calc, una diminuizione tra il 10% ed il 20% farà si che la valvola non lavorerà praticamente mai oltre il suo limite.
Al contrario, dove e’ necessario avere la migliore performance (ruggito!) in termini timbrici, possiamo spingere questa corrente oltre il calcolato. A questo punto, possiamo aumentare la corrente di un 10% per rimanere “statisticamente” ancora in un intervallo dove la potenza media non supera il massimo ammissibile. Andando oltre chiederemo alle valvole uno sforzo supplementare.
Da questo punto in poi subentra l’esperienza personale, l’uso dell’ampli, il cliente al fine di impostare con coscienza il valore migliore.
Il bias e' un valore teorico calcolato su un carico ben preciso ed impostato in assenza di segnale. Tale calcolo si basa sulla corrente che deve scorrere nelle valvole affinché, durante il normale funzionamento dinamico, la potenza dissipata dalle stesse resti all’interno della massima erogabile. Tale dato e’ riportato nei datasheet e facilmente reperibile.
La potenza in uscita, o meglio quella richiesta alle valvole, dipende dalla variazione del carico.
In alta fedeltà le casse generalmente hanno più componenti e per farli lavorare correttamente viene inserita una rete di filtri che avrà impatto sull’impedenza finale della cassa determinando picchi e buchi più o meno accentuati e “distanti” dall’impedenza dichiarata per quella cassa.
In ambito strumentale l’effetto e’ presente ma non così marcato.
Generalmente (in ambito chitarristico sempre) gli altoparlanti si collegano direttamente alle uscite dell'amplificatore. L’impedenza vista dall’amplificatore sarà esattamente quella relativa al cono utilizzato. Ovviamente questo vale per un collegamento a singolo cono. In caso di cono serie o parallelo l'impedenza, ovviamente, avrà valori diversi.
La figura in alto mostra un esempio reale di un Ap ad 8 ohm di dominio pubblico.
Quello che salta immediatamente all’occhio e’ il picco concentrato attorno alle freq basse (90-150). Suonando note con predominanza in quelle freq, l’amplificatore erogherà meno potenza anche se come si vede, l’efficienza del cono si attesta sui 100dB al picco massimo….suona forte ma assorbe poco. Poi c’e’ un decadimento dell’impedenza; da 200Hz fino a 1KHz l’impedenza si abbassa fino a 7ohm. In questo range viene richiesta maggiore potenza alle valvole. Poi da 1KHz tende a salire fino ad arrivare a 12 ohm attorno ai 6KHz.
Questo andamento produce una richiesta di potenza dall’amplificatore che non e’ lineare e paragonabile con il calcolo teorico. Se si aggiunge questo effetto all'assorbimento medio di potenza (richiesta alle valvole) inferiore rispetto al massimo calcolato, si capisce che il tutto serve per avere un valore REALE da cui attingere per poi impostare al meglio il parametro con l'utilizzo che se ne fa ella realtà.
Sta di fatto che, impostando il valore di Bias calcolato, non si commette nessun errore, semplicemente ...ci si può spingere oltre...