L'Alimentazione degli Amplificatori a Stato Solido

Parte prima

Molti di noi, attraverso gli anni, hanno ascoltato degli amplificatori, spesso di alto costo, che gli hanno fatto venir voglia di possederli. Più spesso che non, due aspetti hanno attirato la nostra attenzione - i bassi e gli alti.

In qualche modo, probabilmente a causa del nostro udito non-lineare, che ha la sua risposta migliore in gamma media, e probabilmente perchè diamo per scontata tale gamma ("se non fa il medio, cosa fa?"), prestiamo meno attenzione ad essa. Ma ci sono anche altre ragioni - un buon basso non è facile da ottenere e i progettisti valvolari c'hanno perso più d'una notte mentre dei buoni alti sono stati un terreno scivoloso per gli ampli a stato solido da quando questi esistono.

In pratica possono essere ottenuti entrambi, con qualche attenzione e l'applicazione dell'esperienza, dato che molti progettisti hanno contribuito a creare una forte conoscenza del problema, alcuni con successo altri meno.
Comunque migliorare il basso non è mai fine a se stesso - semplicemente perchè uno non può migliorare solo il basso dato che qualsiasi miglioramento in questa gamma migliorerà tutto il resto, forse in misura minore, ma qualitativamente uguale, come vedremo.

Gli alti comunque sono un discorso differente. Per essere buoni richiedono che il progettista prenda molte decisioni nei primi stadi di progettazione dell'ampli, molte delle quali non potranno essere cambiate più tardi, o forse sì, ma a costo di un duro lavoro.
Comunque troppe poche persone realizzano che per ottenere una buona gamma alta da un ampli a stato solido, presto o tardi si finisce con avere a che fare con l'alimentatore, e così è anche per i bassi. Questo lavoro ha bisogno d'essere fatto comunque la si pensi a riguardo.

Stabilizzato o no?

È, in qualche caso, tacitamente accettato che gli alimentatori completamente stabilizzati diano migliori risultati di quelli classici solo capacitivi per intenderci. Può essere, ma si incontrano molti ostacoli prima che ciò diventi vero.
Tanto per iniziare, un alimentatore stabilizzato può esser visto come, di fatto, un altro ampli di potenza della stessa o di più alta potenza di quello che va ad alimentare. Poi, ha bisogno di essere veloce, molto veloce, così che possa rispondere ai repentini picchi di potenza richiesti dal programma musicale - questo lo rende ancora più costoso da progettare e realizzare. Ovviamente, molto più spazio sarà necessario dentro l'ampli per accogliere l'elettronica aggiuntiva, parte della quale ha bisogno di essere raffreddata quanto quella della parte audio - quindi, più pesante, più grosso, molto più costoso.

Ancora, gli alimentatori completamente regolati sono "rigidi" - ciò significa che essi lavoreranno fino ad un certo punto poi basta, punto. Essi possono facilmente raddoppiare la potenza al dimezzare del carico, ma non permettono spunti dinamici molto sopra la potenza nominale.
Potrebbero esser realizzati in modo da farlo ma sarebbero ancora più costosi e ingombranti.

A oggi, ho ascoltato solo un prodotto con alimentazione completamente stabilizzata che suona bene, ed è il Levinson. Tutti gli altri suonavano molto ben definiti ma in qualche modo chiusi, troppo controllati per i miei gusti. E i loro prezzi e dimensioni erano abbastanza generosi.

Quello che succede, brevemente, è questo - con i regolatori, noi tendiamo a abbassare la tensione il più possibile in modo da tenere i transistors ben dentro la loro Safe Operating Area (SOAR), ma comunque sopra a quella necessaria per l'alimentazione .
Se noi per esempio avessimo diciamo una potenza d'uscita di 50W/8 Ohm, che richiede una tensione di picco di 28.3V, potremmo regolare efficacemente a, diciamo, 32V. In caso di alimentatore non stabilizzato, la nostra linea sarebbe a 34V di picco di output, raggiungendo i 36-38V senza carico. Tornando un attimo indietro, il nostro alimentatore stabilizzato comincerà a clippare a 32V meno la caduta di tensione sui transistors (diciamo 1.3 V per lo stadio driver e quello finale), che sono quindi 30.7V, o 59.2W/8 Ohms. Nel caso di alimentatore non stabilizzato, assumendo che sia ben dimensionato, la tensione scenderà di solo 1-2V sotto il valore a vuoto (senza carico) perchè i condensatori forniranno la potenza istantanea, il che permette un output di (38-2-1.3) 34.7V, o 75.7W/8 Ohms.

Quando il carico si dimezza, per esempio quando è di 4 Ohms, un alimentatore stabilizzato permetterà un raddoppio della potenza (assumendo che sia stato progettato per farlo), ma con le stesse limitazioni già viste.
Tipicamente esso comincerà a limitare la corrente su carichi inferiori a 4 Ohms, mentre un alimentatore non stabilizzato lo farà ugualmente ma in misura minore, almeno sui picchi.

Ovviamente gli alimentatori completamente stabilizzati non sono facili da implementare in un tipico amplificatore funzionante in classe AB.
La classe A pura è una storia abbastanza differente, dato che l'assorbimento di corrente è costante, quindi la regolazione elettronica deve fare un lavoro più semplice.

La sezione di amplificazione di tensione di un ampli lavora in pura classe A, quindi assorbe corrente costante; dato che questo stadio amplifica solo la tensione le sue richieste in termini di corrente sono costanti e minime. D'altra parte, vi sono varie cadute di tensione sui vari stadi, ciò ci costringe a incrementare le linee di alimentazione in modo da sfruttare a pieno il potenziale dell'ampli.
Quindi noi potremmo - e io credo dovremmo sempre! - usare alimentazioni stabilizzate per i nostri stadi di guadagno in tensione.

I benefici sono molti. Primo, un filtro adizionale è inserito dove il suo apporto sarà massimo, migliorando quindi il rapporto segnale/rumore.
Secondo, gli stadi di guadagno sono definitivamente e completamente tagliati fuori da ogni influenza derivante dal consumo di corrente e dai regimi dinamici dello stadio d'uscita.
Terzo, possiamo facilmente e in tutta sicurezza aumentare la tensione d'alimentazione in modo da compensare le cadute e sfruttare appieno la capacità dello stadio d'uscita. E quarto, possiamo abbassare la tensione dello stadio d'uscita rispetto al caso senza stabilizzazione. Ciò significa che noi potremo tenere i transistor più all'interno della loro SOAR pur facendogli erogare più corrente, dato che la tensione è più bassa. tutto ciò senza alcuna perdita e, anzi, con molti guadagni.

Il costo aggiuntivo non è così terribile dato che la stabilizzazione può essere fatta con molto pochi componenti, a seconda della specifica situazione. Possiamo andare un passo più in là e fare il nostro alimentatore stabilizzato un po' più potente così che in caso di uno stadio d'uscita a bipolari con un doppio driver che lo precede questo sia alimentato completamente stabilizzato.
Penso che questo sia un miglioramento significativo, sia come tolleranza del carico che come potenza del pilotaggio - quindi lo uso in tutti i miei ampli di potenza.

Quindi per ricapitolare - l'alimentazione stabilizzata dovrebbe essere applicata a tutti gli stadi di un amplificatore di potenza eccetto che per il driver e gli stadi finali che, per questioni di dinamica, specialmente su carichi difficili, e economia, dovrebbero essere alimentati con alimentatori filtrati a condensatori.

Un'assunzione

Ogni qualvolta si ha a che fare con problemi pratici, dato il gran numero di possibilità, dobbiamo dare per assunto qualcosa. In questo caso si partirà dal fatto che si sta parlando degli stadi di guadagno in corrente di un ampli di potenza.
Questi usano la maggior parte della potenza assorbita da un amplificatore, dato che sono loro che si devono "attaccare" al carico che noi chiamiamo "diffusori". Pur essendo convenientemente chiamati carichi da "8 Ohm", in realtà hanno spesso un'impedenza che scende a metà o anche meno del valore nominale, e con rotazioni di fase consistenti, che possono far vedere, allo stadio amplificatore di corrente dell'ampli, un carico reale di 3 Ohms o meno.

Per avere il caso peggiore dobbiamo prendere in considerazione due fattori addizionali. Uno è che molte aberrazioni dell'impedenza dei diffusori non sono visualizzabili nelle procedure di test classiche data la loro natura di transienti e quindi non possono esser viste nel classico test di "sweeppata".
Questo argomento è stato, per quanto ne so, per la prima volta seriamente discusso dal Prof Matti Otala, nelle sue pubblicazioni IEEE a metà degli anni '70. Anche se ho un po' sbagliato riguardo le date, sono passati almeno 25 anni, abbastanza per fare molti progressi. Il secondo fattore è che i diffusori cambiano le loro caratteristiche man mano che si "scaldano", proprio come un amplificatore, e qui abbiamo altri problemi a cui pensare - le loro nuove interazioni dopo diciamo 30 minuti di lavoro.

Perciò, pur essendo un ottimista, scelgo d'essere un pessimista riguardo ai carichi pilotati; in questo modo, quando m'imbatto in un diffusore con un buon comportamento, facile da pilotare, sono felice perchè il mio ampli lo "blocca" e lo controlla completamente.
E quando m'imbatto in uno dal carico difficile e complesso, non sono preoccupato, perchè è qualcosa che m'aspetto comunque, quindi la vita è sempre rosa per me.

Quindi, reputatemi come un membro dei Krell (la mitica civiltà scomparsa dal film "Il Pianeta Proibito", 1956, da dove Dan D'Agostino, proprietario e progettista delle Krell Industries probabilmente ha preso il nome), ma io presumerò di avere a che fare con un carico di 2 Ohm, e minore solo nei picchi. Mi costerà, ma hey, questo è l'audio.

I Componenti

Un alimentatore è composto, pricipalmente, da 3 elementi - il trasformatore di potenza, il raddrizzatore e i condensatori di filtro. Opzionalmente, potete usare un filtro di linea prima del trasformatore, e possibilmente qualche metodo di accensione ritardata se avete dei grossi valori di capacità in modo da non far saltare l'interruttore generale di casa ogni volta che accendete l'ampli.

Ci sono molte possibili variazioni su questo tema base, ognuna con i suoi vantaggi e svantaggi. Dato che dobbiamo arrivare a qualcosa, lascerò perdere schemi di ritardo, possibili filtri e così via e mi concentrerò sull'essenziale.

Il Diagramma 1 mostra un tipico alimentatore di un prodotto commerciale. Molto semplice - trasformatore, un filtro prima, un ponte raddrizzatore a onda intera e un paio di elettrolitici. I vantaggi sono duplici - è economico ed è semplice da realizzare. Tutto qua, e funziona, anche!

Comunque i suoi difetti sono molti. Tale semplicità richiede una grande qualità dei componenti per avere risultati "audiophile grade" - Meno parti si utilizzano, migliori queste devono essere.
Inoltre, proprio perchè è economico, troppo spesso, nella pratica, troverete un trasformatore piuttosto piccolo, qualche volta tremendamente piccolo, condensatori di basso livello e un ponte raddrizzatore sottodimensionato. Non vi preoccupate del raffreddamento - molto probabilmente sarà realizzato con diodi discreti piuttosto che con un ponte intero.

Il risultato è che la rettificazione sarà ad onda intera standard (cioè la tensione del secondario per radice di 2 o 1.41), ma la purezza della corrente continua (DC) ottenuta sarà piuttosto bassa. Il comportamento alle alte frequenze sarà molto dubbioso e generalmente parecchio al di sotto di un livello audiofilo.
Dato che i trasformatori di potenza, nei prodotti commerciali, sono realizzati in tutti i possibili modi tranne quello del dimensionamento generoso, ci si può aspettare qualche problema sotto stress - ciò causerà una risposta ai transienti non buona, e l'unità suonerà probabilmente piatta e inespressiva.

Il Diagramma 2 mostra un alimentatore migliore, normalmente utilizzato in componenti di medio prezzo. Qui possiamo vedere 2 condensatori di piccolo valore in più prima del ponte, e un altro paio dopo i grossi condensatori di filtro. La prima coppia, così come la seconda, è lì per filtrare il rumore ad alta frequenza. Questo metodo fornirà un'alimentazione più pulita in termini di sporcizia ad alta frequenza, che non ci dovrebbe più essere, ma in realtà qualcosa rimane.
È anche presumibile pensare - sebbene non sia sempre vero! - che chi si premura di inserire questi componenti, abbia precedentemente scelto un migliore trasformatore e un migliore ponte rettificatore.

Ma comunque rimane da verificare cosa esattamente significhi "Più generoso". Potrebbe anche essere che, pur essendo più grosso diciamo del +20...30%, sia ancora al limite.

Il Diagramma 3 mostra un alimentatore "serio". Qui vediamo raddoppiate, rispetto al caso precedente, le capacità di filtro, qualcosa che di per sè non può essere negativo. Comunque può anche non essere completamente positivo.

Vedete, i condensatori di filtro dovrebbero solo fare i... condensatori di FILTRO, essendo la loro funzione di immagazzinatori d'energia di secondaria importanza. In molti prodotti commerciali, questi ruoli sono invertiti - i grossi condensatori non sono usati solo per il filtraggio, ma anche come accumulatori d'energia.
Naturalmente tutto funziona, ma il punto è che si tende ad aumentarne le capacità per mascherare l'inadeguato dimensionamento del trasformatore d'alimentazione.
In molti casi non si trovano condensatori d'alta qualità all'interno degli apparecchi ma piuttosto oggetti commerciali.
Ci sono due ragioni di base per questo. La prima è che questi pur essendo economici fanno bella figura sulle foto e sulle pubblicità.
La seconda è che connettendo due condensatori in parallelo, non solo raddoppiamo la capacità di immagazzinare energia, ma ne dimezziamo l'impedenza. Questo è naturalmente abbastanza vero, ed in pratica si verifica sempre senza problemi, ma in realtà in misura molto minore di quanto ci è dato credere.

Quindi pur dimezzando l'impedenza questa potrebbe rimanere ancora superiore a quella ottenibile usando una sola coppia di condensatori di ottima qualità. Ancora, da questo punto di vista ci stiamo completamente scordando della velocità di carica e scarica dei condensatori - quelli buoni sono costosi proprio perchè sono, fra le altre cose, molto veloci.
Per fare un esempio, un tipico condensatore commerciale da 10,000uF/63V del costo di circa 15-20.000 Lire avrà una velocità di 30-40V/uS al massimo. Un equivalente Elna per Audio serie black, che costa circa 30 - 50000 avrà una velolcità di 80-90V/uS nel peggiore dei casi raddoppiando quindi la miglior prestazione del condensatore commerciale. Un Siemens Sikorel, del costo di 40-60.000 Lire avrà una velocità di oltre 100V/uS - ma a caro prezzo.

E questo è difficile da ignorare se volete una buona qualità di suono. A cosa serve usare elettroniche ultra veloci se poi le rallentiamo con condensatori lenti, che serviranno solo come limitatori della velocità del circuito stesso? Questa è la ragione per la quale la velocità tanto declamata di alcuni amplificatori non viene mai, in realtà, raggiunta.
Molti costruttori misurano la velocità del solo stadio d'ingresso e pochissimi quella dell'intero ampli - il secondo gruppo mostrerà sempre risultati meno impressionanti. Quindi attenzione ai dati stratosferici, molto probabilmente non sono realmente rappresentativi dell'ampli preso per intero dall'input all'output.

Avanti per la seconda puntata

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HTML: Scott Faller - Traduzione: Giovanni Aste