Amplificazioni retroazionate: criteri di progetto (3a parte)

Le Alimentazioni

Ovvero dove nasce il problema che incide pesantemente sulla sonorità degli apparecchi….
Ironia della sorte il sovradimensionamento delle alimentazioni è uno degli aspetti più sopravvalutati (da almeno trent’anni) e questo non ha NULLA a che fare con il problema di cui sopra.
Condensatori di filtraggio formato silos o paralleli di più condensatori al fine di ottenere capacità mostruose sono spesso alla base delle motivazioni che muovono all’acquisto di un prodotto anzichè di un altro….il gigantismo è un’attrattiva innegabile.
Chi ha però avuto incidentalmente occasione di ascoltare un ridicolo ampli Grundig V1700 correttamente installato ha avuto modo di rendersi conto di quanto possano essere infondati certi convincimenti, ascoltando una gamma bassa ben più estesa e piena rispetto ai suddetti surdimensionati progetti pur a fronte di due minuscoli condensatori di filtraggio da 3300uF (no, non manca uno zero…trattasi di tremilatrecento microfarad!) .
Questo aspetto DA SOLO dovrebbe far riflettere anche (e soprattutto) i tanti “so tutto io” che circolano in questo settore sul fatto che ci sia “altro”, molto altro da imparare….
Tuttavia ci sono progettisti audio “di tendenza” che hanno bisogno di riempire ben quattro telai per riuscire a NON far suonare la loro amplificazione ma riuscendo (questo si) molto più agevolmente a venderla. Ciò che si vende oggi è la “quantità con promessa di qualità”…una promessa che è purtroppo pressoché sempre disattesa nei confronti di chi ha orecchio per intendere…..e si fa molto affidamento sul fatto che avere orecchio per intendere sia cosa piuttosto rara.

Vediamo a seguito di affrontare (come al solito) non tanto gli aspetti più inflazionati e dibattutti (e talvolta fuorvianti) di cui potete trovare ampia documentazione in rete ma quelli, magari meno dibattuti che vanno ad influire effettivamente in modo pesantemente negativo sul suono.
Chi segue questo sito da tempo, ha imparato come non esista nulla da cui il suono non venga influenzato: qualunque intervento si faccia in prossimità dell’ambiente di ascolto (anche fosse solo buttare a terra un mazzo di chiavi) determina un cambiamento sul suono….può essere in meglio o (il più delle volte) in peggio. Ogni cosa libera di vibrare nel proprio ambiente di ascolto viene a variare il risultato complessivo percepito dall’ascoltatore…il suono è vibrazione non dimentichiamolo. Vi sono aspetti vibrazionali anche nell’ambito delle elettroniche che vanno ad influire in modo drammatico sul risultato effettivo e che seguono altre regole sulle quali chi vi scrive ha lavorato per molti anni al fine di determinare una sistematica di intervento (da cui la nascita dell’acronimo CCI) ma pur non affrontando in modo specifico l’argomento, andremo comunque in questo articolo a toccare l’aspetto su cui anche il CCI si fonda: la considerazione che ogni elettronica ha una singola uscita ma non ha MAI di fatto un singolo ingresso.

Cosa significa ciò? Purtroppo esistono in natura delle brutte cose che si chiamano “componenti parassite” e che fanno la differenza tra una bella e luccicante teoria e una molto più triste e problematica realtà. Quando nello schema di un circuito notate un certo numero di componenti che vengono connessi a massa, supponete ovviamente che questi punti di massa si trovino al medesimo potenziale….in pratica ciò non avviene mai in quanto la collocazione topologica dei vari punti di massa comporta una certa distanza tra gli stessi ed in funzione della resistenza e dell’induttanza dei collegamenti, avremo potenziali diversi tra le varie masse tanto maggiori quanto maggiori saranno le correnti che circolano su tali collegamenti. Idem sulla massa telaio. E questo è vero tanto più quanto più si sale in frequenza.
Ora se cambia il riferimento è ovvio che un segnale in uscita non sarà più uguale nella forma a quello d’ingresso ma subirà una distorsione misurabile.
Il problema della gestione delle correnti di massa (e dei loop di massa) è vecchio quanto l’alta fedeltà (per chi vuole approfondire trova ampia documentazione in rete) ma tutt’oggi trova svariati “progettisti in erba” (…e non solo quelli) che lo trascurano o quantomeno non lo valutano con l’attenzione dovuta. Analogamente vi possono essere punti circuitali che sono connessi a massa e che, quando ciò avviene in modo non sufficientemente efficace, divengono dei perfetti “secondi ingressi” per segnali spuri (…è il caso ad esempio di un transistor connesso a base comune con il classico condensatore di bypass tra base a massa).
Ora voi mi direte: ma chi se ne frega dell’alta frequenza dal momento che abbiamo a che fare solo con segnali in banda audio…eh no…purtroppo non è così semplice, non solo perchè ormai siamo immersi nelle onde radio dei nostri telefonini (e di tanto altro…) e non solo perchè una massa anomala può generare anche problemi di instabilità ma anche e soprattutto perchè una trasmissione elettromagnetica a radiofrequenza la generiamo all’interno di ciascun elettrodomestico che debba essere alimentato a corrente continua (come il nostro amplificatore, preamplificatore, lettore cd, etc) ovvero dal raddrizzamento e successivo livellamento dell’onda alternata di rete 220V.

Nei libri di scuola il raddrizzamento/livellamento dell’alternata sembra la cosa più semplice ed innocua del mondo ma….capita che si osservi ed analizzi solo ciò che accade a valle del ponte di Graetz ma a monte…sul trasformatore…che succede? Dalle immagini osservabili all’oscilloscopio prese sul secondario del trasformatore di un comune alimentatore capacitivo succede questo.

Una forma d’onda che comporta una “piallatura” delle creste sinusoidali come questa è già molto valida, spesso si incontrano saturazioni ben maggiori del nuleo del trasformatore a causa delle correnti di carica dei condensatori di filtro. Questa caratteristica accomuna TUTTE le alimentazioni capacitive e presenta spettralmente armoniche ad altissima frequenza (che possono arrivare a 100-200MHz) e di intensità che può essere anche discretamente elevata (dipendente dalle caratteristiche del trasformatore e dall’assorbimento dell’ampli). Come anomalia addizionale queste spurie non sono sempre presenti ma si ripetono con cadenza uguale alla frequenza dell’onda raddrizzata ovvero cento volte al secondo. Se avete una vaga idea di come funziona un modulatore di ampiezza (la radio AM) potete facilmente comprendere come è possibilissimo che ciò causi fenomeni di intermodulazone sul segnale in transito, non continuativi ma più subdoli in quanto la “portante” è presente per cento volte al secondo.

Tutti i progettisti audio si preoccupano di ciò che accade sulle barre di alimentazione: per le alimentazioni adibite ai circuiti amplificatori di segnale si utilizza un banale filtro RC e/o uno stabilizzatore di tensione ottenendo un livellamento perfetto….rispetto al punto di massa dello stabilizzatore medesimo.
Sulle barre di alimentazione di potenza in alternativa all’alimentazione capacitiva classica (utilizzata dal 99% dei progetti audio) c’è chi utilizza un filtro CLC (ovvero un filtro a pigreco considerando anche la prima capacità di filtraggio) che comporta una efficace riduzione del ripple a fronte di una certa caduta di tensione ma….avremmo comunque lo stesso identico problema sul secondario del trasformatore: ci saranno sempre cento impulsi di corrente che ci arrivano dai condensatori di filtro (per ciascuna delle due polarità) verso la barra di massa. L’immagine a seguito è la tensione prelevata ai capi di una resistenza di “sensing” da appena 0,22 Ohm posta sulla linea di massa del trasformatore al fine di rendere facilmente misurabili tali irregolarità….

…e questo determina un bel problema sul suono.
Possono esserci tre possibili soluzioni circuitali a questo problema:
1) Utilizzare un’alimentazione con due induttori posti in uscita dal secondario del trasformatore per ridurre la corrente istantanea di carica dei condensatori (allungando quindi il tempo di carica dei medesimi) ed in tal caso l’onda sinusoidale non viene più a saturarsi ma viene solo maggiormente arrotondata senza generare spurie AF. Come contro però questa soluzione comporta una certa caduta di tensione costringendo sia ad aumentare considerevolmente la capacità di filtro a valle del ponte e sia ad innalzare la tensione sul secondario del trasformatore a vuoto (con conseguente maggior dissipazione a vuoto da parte dello stadio finale).
2) Utilizzare un trasformatore di bilanciamento 1:1 connesso a valle del trasformatore principale come in figura sottostante (il vecchio brevetto Onkyo “real phase” che viene utilizzato anche sugli LT) che comporta il bilanciamento dei disturbi sui due rami dell’alimentazione in modo che la somma a massa venga quasi ad annullarsi. In tal caso non vi è inoltre alcuna caduta di tensione sul trasformatore 1:1 e l’alimentazione presenta perfetta efficienza (ovvero non si siede al pari di una alimentazione capacitiva adeguatamente dimensionata). A seguito la forma d’onda prelevata sulla medesima resistenza di sensing di cui sopra ma con trasformatore 1:1 di bilanciamento (la resistenza di sensing nello schema a seguito non l’ho disegnata ma è connessa nella medesima posizione dello schema precedente). La differenza rispetto alla semplice alimentazione capacitiva è palese.

 

3) Utilizzo di circuiti in cui la massa di riferimento non sia interessata direttamente dal ritorno della corrente dal carico (diffusore)…ovvero un circuito a ponte ma anche il circuito brevettato nel 1980 da J. Bongiorno (ed utilizzato su alcuni Sumo) derivato concettualmente della vecchia circuitazione valvolare Circlotron. Due soluzioni che comportano un risultato potenziale piuttosto simile e che andrebbero analizzate con cura in un articolo dedicato (tempo permettendo) per vederne pro e contro .
L’utilizzo di una circuitazione a ponte permette un risultato molto simile alle precedenti due soluzioni viste, pur con un dispendio di materiale maggiore. In questo caso non si interviene sulla causa ma (a fronte della maggiore reiezione nei confronti di segnali di modo comune) sulla maggior insensibilità dell’amplificatore a tale problema. Il raddoppio dell”impedenza di uscita (che qualcuno potrebbe porre come critica) dovuto a tali topologie a ponte è invece un NON problema su circuiti retroazionati in cui si può mantenere bassa per ciascun amplificatore tale impedenza: passare da un impedenza di uscita di 5 millesimi di Ohm ad una complessiva di 10 millesimi di Ohm nella sostanza non cambia nulla.

A sinistra sotto potete osservare la rappresentazione a blocchi del brevetto di James Bongiorno ove il carico è rappresentato dalla resistenza 24 posta ai vertici del ponte di Wheastone, mentre a destra è raffigurata la rappresentazione classica di principio di un’amplificazione a ponte.

 

Quanto esposto finora determina in modo importante la sonorità di un amplificatore per circa un 25-30%. L’intervento telaistico/circuitale (effettuato anche con le attenzioni sopra esposte) viene a completare il quadro risultando purtroppo (di gran lunga) l’aspetto maggiormente influente sul suono.

Dopo aver visto l’aspetto rognoso sul suono vediamo anche brevemente quello ( troppo spesso ingigantito) del dimensionamento. Supponiamo di avere un carico con impedenza minima di 4 Ohm nominali e di avere un amplificatore in grado di erogare 80W efficaci su tale carico che, (se è dotato di sonorità) è più che sufficiente come potenza nel 95% dei casi in una normale abitazione (considerando anche la maggiore efficienza dei diffusori da 4 Ohm) e di doverne dimensionare l’alimentazione di potenza. Supponiamo quindi di utilizzare per il filtraggio dell’alternata raddrizzata dell’alimentazione, due condensatori (uno per polarità se abbiamo una classica alimentazione duale) da 10.000uF…nulla di eclatante quindi come valore.


Per fornire tale potenza la tensione che i finali in condizioni di assorbimento a piena potenza devono fornire al carico non dovrà scendere al di sotto di 25,3V. Se impieghiamo il classico darlington di uscita dovremo far si che la tensione fornita al collettore dei finali sia almeno di un paio di volt superiore ma meglio mantenere un maggior margine dinamico per cui arrotondiamo a 28V.

Dal grafico a lato potete osservare che già il valore di 3300uf inizia ad avvicinarsi alla sua risonanza all’estremo alto della banda tuttavia anche il valore di 10000uF presenta una caratteristica di impedenza ancora accettabile.

Possiamo simulare la nostra alimentazione capacitiva con un’equivalente sorgente di tensione continua ideale più resistenza in serie che nel nostro caso varrà 1/(100Hz * 0,01mF) = 1 Ohm per ramo di alimentazione.  I nostri 25,3V di picco applicati su un carico di 4 Ohm comportano 6,325A (che arrotondiamo a 6,3A) di picco che devono essere erogati da ciascun ramo della nostra alimentazione. Ciò significa che, a fronte della suddetta resistenza di 1 Ohm, avremo un ripple picco picco a piena potenza erogata di 6,3V. Vi sembrano tanti? Comportano problemi?
E’ sufficiente avere una tensione di alimentazione, in condizioni di riposo pari a 28 + 6,3 =34,3V per far si che il nostro amplificatore eroghi sul carico la piena potenza nominale.

Veniamo ora ai pro e contro di questa scelta:
CONTRO: avendo necessità di una tensione di alimentazione più elevata per compensare la caduta a piena potenza, avremo una dissipazione di potenza (e quindi di calore) nello stadio finale maggiore rispetto alla scelta che prevede maggiore capacità di filtraggio e tensione di alimentazione più ridotta.
PRO: possiamo utilizzare un singolo condensatore per polarità, il quale ha la sua risonanza al limite della gamma audio evitandoci paralleli tra condensatori di elevata capacità che generano inevitabili correnti di massa o anche evitandoci l’impiego di singoli condensatori dalle capacità maggiori che però presentano la loro risonanza già in gamma audio. Parallelare più condensatori diminuisce inoltre la resistenza parassita vista dal ponte di diodi (essendo il parallelo delle singole resistenze parassite) e questo determina una maggior corrente istantanea nella carica del condensatore equivalente generando spurie ad alta frequenza con maggiore energia.
Dal momento che il nostro obiettivo è la qualità e possiamo permetterci una dissipazione in potenza un poco maggiore tale scelta risulta essere la più saggia. Come vedete per l’ennesima volta “in medio stat virtus”.
Ovviamente non possiamo permetterci un’alimentazione che assuma caratteristiche induttive ad alta frequenza per cui un adeguato filraggio con condensatori a film plastico di valore inferiore al mezzo microfarad è altamente consigliabile e andrà fatta scegliendo oculatamente il punto in cui installarli ed evitando paralleli con condensatori di capacità diversa per evitare interferenze a livello di risonanza come si evidenza dal grafico sottostante.

Non abbiamo volutamente preso in esame la caduta di tensione che si ha sul trasformatore in quanto se non ci poniamo limiti sui costi e puntiamo alla massima qualità della nostra alimentazione non possiamo esimerci dal dimensionare opportunamente questo elemento (il trasformatore) evitando che “si sieda” . Un trasfo da 300VA nel nostro caso specifico comporta già una certa tranquillità.
Tuttavia avendo il trasformatore un costo che è proporzionale alla sua potenza, in progetti a basso costo ove tale elemento è spesso sottodimensionato, la caduta di tensione ad esso dovuta può essere più rilevante della caduta di tensione che si ha a fronte di condensatori di filtro non particolarmente dimensionati. Su tali amplificatori (come sul suddetto Grundig V1700) ciò permette una protezione intrinseca a fronte di carichi a bassa impedenza che non sarebbero altrimenti sopportati da uno stadio finale a sua volta sottodimensionato.
Sottolineo comunque il fatto che tali eventuali sottodimensionamenti NON HANNO a che fare col modo di suonare di un apparecchio ma solo con la massima potenza che tale apparecchio è in grado di erogare su un carico. Troppo spesso sento fare confusione tra questi due aspetti che NULLA hanno in comune se si usa l’amplificatore nell’ambito della potenza che riesce ad erogare.
Per essere maggiormente chiari: se tracciate la cosiddetta “caratteristica di carico limite” in un V1700 non vedrete una riga verticale ma una curva abbastanza inclinata che evidenzia come l’ampli non sia affatto progettato per raddoppiare la sua potenza al dimezzare del carico ma….questo col buon suono non c’entra nulla come non c’entra NULLA con l’impedenza di uscita che tale ampli ha che può comunque essere bassissima…c’entra solo col dimensionamento di alcune parti (trasformatore, condensatori di filtro, potenza dissipabile massima dallo stadio finale) e quindi con la possibilità di erogare una potenza più limitata al diminuire dell’impedenza di carico.

Occorre quindi anche qui non perdere di vista la palla…ovvero il fatto che il nostro obiettivo non è quello di progettare un amplificatore che funzioni da saldatrice ma che suoni in modo eccellente con carichi di impedenza nominale comune: dai 4 Ohm a salire.
Comprendete quindi, a fronte di tutto ciò, che il modo di vedere le cose di chi vi scrive sia proprio agli antipodi di quello di certi progettisti americani in voga i quali sostengono che non serva calcolare un progetto ma basti esagerarne il dimensionamento (atteggiamento questo che denota un approccio alquanto discutibile).

Spero di avere contribuito con quanto sopra a creare in voi qualche certezza in meno e qualche dubbio in più che vi spinga alla verifica dei fatti: perchè questa è l’unica strada che io conosca che porta ad una crescita individuale.