Amplificatori audio

Introduzione

Il processo di amplificazione di un segnale audio consiste nella trasformazione di potenza prelevata da una opportuna sorgente (si tratta tipicamente della rete di distribuzione elettrica), in potenza da fornire al sistema di altoparlanti, i quali costituiscono l’ultimo anello della catena di riproduzione, trattandosi di trasduttori in grado di convertire un segnale elettrico in onde di pressione acustica.
L’amplificazione è quindi in linea di principio una modulazione della potenza operata dal segnale audio applicato all’ingresso dell’amplificatore, modulazione resa possibile dai dispositivi che compongono l’apparecchio, sulla base del proprio principio fisico di funzionamento e dell’opportuno collegamento fra essi. La figura 1 sintetizza quanto appena esposto.


Grazie all’amplificazione di potenza segnali che hanno ampiezza tipica dell’ordine di 1 – 2 Volt, raggiungono valori tipici di qualche decina di Volt, potendo attualmente arrivare a superare i 100 Volt. (Esempio: il segnale di uscita di un amplificatore che sta erogando 1000 Watt effettivi su 8 Ohm ha un’ampiezza di circa 90 Volt efficaci).

Una prima considerazione molto importante da fare riguarda il rendimento energetico del sistema di figura 1, che è nel complesso molto basso, a causa soprattutto dell’altoparlante il quale ha un rendimento intrinseco intorno all’ 1% , (attenzione a non confondere il rendimento energetico dell’altoparlante con l’efficienza, si tratta di cose ben distinte anche se in un certo modo correlate fra loro). Ciò significa che per produrre 1 Watt di potenza acustica (attenzione, potenza acustica, non pressione sonora) l’amplificatore ne deve erogare 100. Da questo punto di vista le aspettative odierne nei confronti degli amplificatori professionali si sono orientate verso potenze dell’ordine dei 1000 Watt. Come riferimento temporale possiamo dire che se nella metà degli anni ottanta si poteva ritenere molto potente un amplificatore da 500 Watt, ora tale definizione può valere per uno da 2000 Watt e la tendenza è quella di ottenere potenze sempre più elevate. I perché di questa tendenza sono differenti e spesso legati più a questioni commerciali che tecniche. Il fatto che uno dei parametri fondamentali sia il rapporto prezzo / potenza e che quest’ultimo sia legato a differenti aspetti tecnici e costruttivi non sempre facilmente misurabili anche da utenti professionisti, crea a volte confusione e induce speculazioni sull’effettivo dato di potenza. Si assiste di conseguenza ad una specie di “gara” il cui traguardo è la realizzazione di apparecchi in grado di erogare potenze più elevate e allo stato attuale è difficile stabilire quale sia il limite superiore di questo traguardo.
I parametri più direttamente legati a questa tendenza sono essenzialmente due : il rapporto fra potenza e peso e il rendimento energetico, cui si è già fatto cenno.
Dal punto di vista energetico possiamo assumere per l’amplificatore nel suo complesso, il modello rappresentato in figura 2, nel quale si evidenziano due blocchi fondamentali, l’alimentatore e l’amplificatore propriamente detto.


Le tecnologie impiegate per la costruzione di amplificatori ha subito nel corso degli anni modifiche più o meno significative, alcune delle quali possono essere definite epocali e per lo più legate alla scoperta e disponibilità di nuovi dispositivi elettronici, si pensi per esempio al passaggio dall’impiego dei tubi a vuoto (valvole), all’utilizzo del transistor e, successivamente, anche altri componenti come i MOSFET, una svolta che, pur non soppiantando del tutto le valvole, ne ha ormai limitato l’impiego in alta fedeltà e nell’amplificazione degli strumenti musicali, settori nei quali le valvole sono apprezzate in virtù di caratteristiche sonore ritenute per certi versi superiori.
In campo professionale i principi seguiti per progettare e costruire amplificatori è rimasta più o meno la stessa per molto tempo, solo da qualche anno a questa parte si sono adottati criteri, non nuovi in assoluto (già noti per esempio nel settore dell’elettronica industriale o della radio frequenza), ma sicuramente innovativi nel settore dell’amplificazione a frequenza audio.
L’introduzione di queste innovazioni sono in gran parte legate ai motivi accennati in precedenza, cioè il raggiungimento di rendimenti energetici più elevati, ma soprattutto l’ottenimento di potenze più elevate con pesi e ingombri minori.

Differenti soluzioni a confronto

Facciamo un confronto fra le diverse soluzioni che si possono impiegare per realizzare i blocchi funzionali illustrati dalla figura 2, cominciamo dalla sezione di amplificazione.

Le classi di funzionamento di un amplificatore audio di potenza

La classe AB

Si tratta di una tecnologia tradizionalmente impiegata in gran parte degli amplificatori di potenza, lo stadio finale di un amplificatore in classe AB ha una struttura di principio come quella di figura 3.
I transistor di potenza lavorano nella cosiddetta zona lineare e i valori di tensione di alimentazione V+ e V- sono costanti nel tempo. Dal punto di vista energetico il rendimento può assumere valori del 50 – 60 % (quello massimo teorico è del 78.5 %). La metà circa della potenza assorbita dall’alimentazione è trasferita al carico, l’altra è dissipata in calore. Potenze elevate comportano dissipatori di calore con peso e ingombro elevati.


Classi G e H

Sono state introdotte al fine di incrementare il rendimento, che può arrivare al 75 % per la classe G e raggiungere l’ 80 % per la classe H.
La struttura di principio è simile a quella della classe AB, ma a differenza che in quest’ultima, il valore della tensione di alimentazione non è costante, ma varia in funzione dell’ampiezza del segnale da amplificare.
L’impiego delle classi G e H può ridurre di un 30 % il peso dell’amplificatore, rispetto a uno funzionante in classe AB.
L’impiego di queste classi è piuttosto diffuso in amplificatori di piccola potenza, essenzialmente in forma di circuiti integrati, funzionanti con tensioni di alimentazioni di valore ridotto, tipicamente nelle autoradio o in piccoli monitor amplificati, ma non mancano esempi di amplificatori con elevate potenze che sfruttano questo tipo di tecnologia.

La classe D

Nel funzionamento in classe D i transistor dello stadio di potenza lavorano come degli interruttori, passando dallo stato di chiusura a quello di apertura , con una frequenza che negli amplificatori moderni è dell’ordine dei 100 kHz.
Il rendimento può raggiungere il 90 % e di conseguenza i dissipatori di calore possono essere fino a sei volte più piccoli rispetto a un amplificatore in classe AB.
Gli amplificatori realizzati con questa tecnologia sono a volte definiti digitali, ma la definizione è impropria, nel senso che essi non sono pilotati da un segnale costituito da dati binari coerenti, ma da un segnale a due stati a cui corrispondono le due condizioni di funzionamento (chiuso, aperto) dei dispositivi finali. E’ quindi più corretto definirli come amplificatori a commutazione, in gergo tecnico “ switching”.

Negli amplificatori moderni ci possono essere delle funzioni di controllo e monitoraggio realizzate per via digitale, per esempio la regolazione remota del volume, il monitoraggio di alcuni parametri di funzionamento come la temperatura e il tasso di distorsione, ma si tratta di funzione accessorie, che non hanno a che fare con il processo di amplificazione propriamente detto.
Vi possono essere dei dispositivi che elaborano il segnale in forma digitale (DSP, Digital Signal Processor) per realizzare particolari funzioni quali filtraggio, ritardo, compressione e limitazione, che non riguardano l’amplificazione di potenza.

Dal punto di vista del rendimento energetico, la classe D è sicuramente la soluzione migliore, con conseguenti vantaggi in termini di ingombro e peso, mentre sotto altri profili ci possono essere degli svantaggi, per esempio la complessità di realizzazione e la generazione di segnali spuri ad alta frequenza; vi è inoltre la necessità di impiegare dei filtri in uscita, necessari per eliminare i residui ad alta frequenza che si generano nel processo di modulazione del segnale. Trattandosi di filtri passivi, la loro caratteristica dipende dal tipo di carico collegato, conseguentemente la risposta in frequenza è influenzata dal tipo di sistema di altoparlanti collegati all’uscita dell’amplificatore. Il problema sembra attualmente in gran parte superato, perché i valori di frequenza usati per modulare il segnale audio sono sufficientemente elevati da far sì che la dipendenza della risposta dall’altoparlante cada al di fuori dello spettro udibile.
Vi sono poi aspetti, per lo più soggettivi, che sollevano dubbi sulla classe D, in particolare per ciò che riguarda la qualità del suono riprodotto.

I circuiti di alimentazione

Le configurazioni possibili sono essenzialmente due, quella convenzionale che prevede l’impiego di un trasformatore funzionante alla tensione di rete ( 50 oppure 60 Hz), e quella “switch mode”, a commutazione, che prevede l’utilizzo di un trasformatore che funziona a frequenza più alta di quella di rete, almeno qualche decina di kHz.
La figura 4 e la figura 5, illustrano lo schema funzionale dei due tipi di alimentazione. L’alimentatore funzionante alla tensione di rete è strutturalmente più semplice, per questo è intrinsecamente più affidabile, quello a commutazione è più complesso, ma la sua minore affidabilità intrinseca ha subito nel corso degli ultimi anni un considerevole incremento grazie all’evoluzione tecnologica dei componenti impiegati.

Una delle differenze fondamentali fra i due tipi di alimentatore sta nel peso e nelle dimensioni del trasformatore, infatti, quello funzionante ad alta frequenza è considerevolmente più piccolo e leggero rispetto a quello funzionante alla frequenza di rete (50-60 Hz).
L’alimentazione a commutazione ad alta frequenza comporta un rendimento energetico più elevato e pesi e ingombri minori, per contro si ha una maggiore complessità circuitale che richiede maggiori sforzi dal punto di vista progettuale e l’impiego di componenti tecnologicamente aggiornati.
Il know how raggiunto nel campo dell’alimentazione switching, consente inoltre di realizzare il controllo e l’ottimizzazione del cosiddetto fattore di potenza, nella letteratura specifica si parla di PFC (Power Factor Control).


Il fattore di potenza è un parametro che quantifica lo sfasamento fra la tensione di rete con cui è alimentato un utilizzatore e la corrente da esso assorbita. In termini matematici si definisce come il coseno dell’angolo di sfasamento fra tensione e corrente, e ad esso è legata la definizione di tre differenti tipi di potenza, potenza attiva, potenza reattiva e potenza apparente. Delle tre quella effettivamente utile è quella attiva, mentre la presenza di quella reattiva comporta un inutile maggiore assorbimento di corrente.
Avere un valore di fattore di potenza più alto possibile (idealmente pari a uno), significa minimizzare il valore della corrente assorbita a parità di potenza utile.
Negli alimentatori switching è possibile, impiegando opportune tecniche circuitali, rendere il più elevato possibile, compatibilmente con le condizioni di funzionamento, il fattore di potenza. E’ quanto viene realizzato in molti degli amplificatori attuali dotati di questo tipo di alimentazione.


Che cosa offre il mercato

L’offerta attualmente è piuttosto ampia, sia considerando una classificazione per massima potenza erogabile, sia per tipologia di prodotto.

Attualmente è possibile reperire sul mercato diversi modelli di amplificatori in tecnica switching, sia per potenze elevate, tipiche delle applicazioni “live” nelle quali ormai si ricorre spesso a questo tipo d’amplificazione, sia di potenza media per il Public Adress.
Anche nell’Home Theater s’iniziano a sentire amplificatori di questo tipo, anche se in questo settore, più attento ai giudizi “audiofili” degli utenti, resistono per lo più quelli classici in classe AB, soprattutto se l’impianto Home Cinema è dedicato anche all’ascolto a due canali. Non mancano esempi di amplificatori switching che hanno superato la prova d’ascolto degli ascoltatori più esigenti.

Molto interessante è l’attuale disponibilità di moduli amplificatori venduti in forma di sola scheda elettronica, con i quali è possibile costruirsi un amplificatore totalmente personalizzato, con valori di potenze dai pochi Watt fino a diverse centinaia di Watt, dedicati soprattutto ai costruttori, ma anche agli appassionati e agli installatori dotati di un po’ d’esperienza nell’assemblaggio elettronico e che vogliono cimentarsi nella costruzione di un proprio amplificatore.

Luca Comi
NRG30 Network

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