L'alimentazione degli amplificatori a stato solido

Parte Seconda

Ed infine, la Figura 4 illustra un alimentatore "serio". Tanto per iniziare possiamo notare che ogni metà dell'alimentatore ha il suo proprio ponte rettificatore. Ciò permette dei significativi miglioramenti nel raddrizzamento, così come offre al progettista un forte aumento della capacità di gestire potenza dato che i due raddrizzatori si dividono il carico che prima era di uno solo. Questo approccio è abbastanza comune nei componenti High End Statunitensi, e negli ultimi anni si è cominciato ad adottarlo anche nei componenti migliori della fascia media. Un cambiamento veramente benvenuto.

Ma la ragione perchè ciò viene fatto è duplice. Primo, questo permette una migliore separazione dei canali, dato che ogni linea d'alimentazione è indipendente ed è perciò molto meno facile trasmettere segnale da un canale all'altro. L'altra ragione è essenzialmente la stessa ma riferita ai piani di massa - questo metodo produce più piani di massa ma, separandoli, nuovamente minimizza le possibilità di interferenze e migliora il rapporto segnale/rumore.
Per far questo uno ha bisogno di secondari dedicati sul trasformatore d'alimentazione, per un ampli stereo un totale di quattro, piuttosto che i classici due. Ovviamente, pur essendo una cosa buona e con molti vantaggi, ciò è anche molto più costoso.

Ancora, vi prego di notare le due reti RC simmetriche. Esse servono ad annullare gli effetti dell'induttanza residua dei condensatori, ciò dovrebbe migliorare le prestazioni in alta frequenza. Per la mia esperienza la cosa funziona sempre, sebbene in che misura rimanga un argomento da dibattere. Non importa quanto siano buoni i condensatori, essi hanno sempre un minimo di induttanza residua; migliori sono, minore è l'induttanza e viceversa. Perciò è sempre meglio averle, anche se il loro effetto maggiore si vedrà con i condensatori peggiori. Un benefit collaterale è che l'ampli tenderà ad essere più stabile con i carichi complessi, sebbene questo è un qualcosa che dovrebbe già essere dato a priori dal corretto progetto dell'ampli.

Non vi spaventate del valore di potenza della resistenza, riportato come 17W (1 Ohm); Il vero valore richiesto dipenderà da molti fattori, ma con 17W sarete al sicuro con ampli fino a 150W/8 Ohms e corrispondenti aumenti di potenza al diminuire del carico.

Ancora, lasciatemi dire che io, per i miei progetti, per ogni canale, uso lo stesso principio mostrato in Figura 4, quindi il totale di quello che uso io è il doppio di quanto riportato in figura.
Ho sperimentato molto a riguardo e l'esperienza mi ha infine abbastanza chiaramente mostrato che l'ultimo caso mostrato è quello che dà di gran lunga il miglior risultato. Normalmente uso ponti raddrizzatori KBPC04-25 in contenitore metallico, montati sul mobile per una maggior dissipazione, seguiti da condensatori Siemens Sikorel. Che mi portano a...

Dimensionamenti

Bene, a questo punto avrete sicuramente capito che un appropriato dimensionamento è di importanza primaria. Giusto - ora potrei travolgervi con una tonnellata di formule, ma non lo farò. Invece vi darò una visione approssimata, come direbbe qualche ingegnere di primo pelo, o un metodo semplice, come riporterebbero i più saggi ed esperti ingegneri.

Trasformatori

Per prima cosa dovete decidere - un trasformatore unico o separati per i due canali? Per aiutarvi a decidere, calcolate per prima cosa la potenza richiesta. Assumiamo che voi vogliate un vero generatore di tensione - questa è fantasia, ma è un modo tecnicamente corretto di dire che volete un amplificatore che fornirà la stessa TENSIONE in qualsiasi carico fino a - che? Caspita, ora dobbiamo considerare il maledetto carico.

Possiamo farlo. Possiamo farlo Krell-style e dire che vogliamo che lavori fino a 0.5 Ohms - quindi avremo bisogno di un alimentatore veramente massiccio. Ma possiamo anche provare a essere ragionevoli e far funzionare il cervello. Diciamo che vogliamo pilotare solo un paio di diffusori; diciamo che essi hanno un'impedenza nominale di 4 Ohms (il caso peggiore), e diciamo che sono ben difficili da pilotare perchè esibiscono rotazioni di fase di -60 gradi.
Per l'ampli questo è come avere un carico di 2 Ohm. OK, allora diciamo che l'ampli dovrà essere un vero generatore di tensione fino a 2 Ohms (occhio, questo vi costerà! ma vi farà anche capire perchè Krells, Levinsons, ecc. devono essere costosi). In ultimo diciamo che ci acconteteremo di una potenza di 50W su 8 Ohms, come dovrebbe essere nella maggioranza dei casi. Primo, andiamo a vedere cosa abbiamo in termini di tensione:

Radice quadrata di: (Potenza x 2) x impedenza di carico = tensione di picco, o, nel nostro caso

Radice Quadrata di: (50 x 2)x8 = 28,284271V, o semplicemente 28.3V di picco.

Per ottenere il valore RMS dobbiamo dividere per radice di 2:

28.3 : 1.41 = 20Vrms.

Le potenze e le correnti richieste, in caso di un vero generatore di tensione fino a 0.5 Ohm, sono illustrate di seguito:

50W/8 Ohms = 28.3 V di picco / 3,53 Amperes di picco

100W/4 Ohms = 28.3 V di picco / 7,07 Amperes di picco

200W/2 Ohms = 28.3 V di picco / 14,14 Amperes di picco

400W/1 Ohm = 28.3 V di picco / 28.28 Amperes di picco

800W/0.5 Ohm = 28.3 V di picco / 56.57 Amperes di picco

Quindi, 50W/8 Ohms equivalgono a 28.3V di picco. Buono. Segue che con carichi da 8/4/2 Ohms, la nostra richiesta di corrente sarà di (20:8/4/2) 3.54/7.07/14.14 A. Niente di strano, dato che vogliamo che il nostro ampli fornisca 50/100/200W su 8/4/2 Ohms. Ricordate, questo solo in termini di potenza fornita, scordandoci completamente delle capacità dello stadio d'uscita e delle alette di raffreddamento, che, con 200W/2 Ohms, saranno necessariamente massicce.

Un carico di 0.5 Ohms nella realtà è ridicolo, dato che rappresenta effettivamente un corto circuito - potreste usare il vostro ampli per pilotare una saldatrice ad arco. È anche ridicolo considerare che si debba pilotare questo "carico" con continuità. Anche per i picchi di potenza, un carico di 1 Ohm rappresenta il carico peggiore considerabile come realistico, in termini di potenza, ma non in termini di stabilità assoluta. Comunque, questo è un problema di progetto dell'ampli, non dell'alimentatore.

Quindi, il nostro trasformatore dovrebbe essere da 200W per canale. Per ottenere un valore in VoltAmpere (VA), dobbiamo moltiplicare questo per 1.41, ed avremo (200x1.41) 282VA, o 300VA, che è una "taglia" comune per un produttore di trasformatori. Questo è per un canale, ricordate, e solo se volete potenza CONTINUA su 2 Ohms; per dei PICCHI su 2 Ohms, voi potreste usare abbastanza tranquillamente un trasformatore più piccolo, come un 200-220VA.

Ora, se decidete di utilizzare due trasformatori separati, uno per ogni canale, due componenti da 300VA andrebbero benissimo, con una buona riserva di potenza anche per i casi peggiori - in effetti, con un alimentatore come questo, dovreste preoccuparvi della garanzia dei diffusori, non dell'ampli. Questo è sufficiente per affrontare i transienti perfettamente. Nella realtà, i costruttori usano trasformatori da 300-360VA per alimentare amplificatori di potenza DOPPIA rispetto alla nostra.

Se invece avete intenzione di usare un solo trasformatore, avete ancora due scelte. La prima è di usare un componente con due secondari e alimentare entrambi i canali da un unico banco di condensatori, o usare raddrizzatori e condensatori separati per i due canali. Oppure potete ordinare un trasformatore con un singolo primario e 4 secondari separati per ciascun canale - in questo caso avrete qualcosa di molto vicino a un alimentatore dual mono, sebbene, naturalmente, niente è meglio di due trasformatori separati e totalmente indipendenti.

E infine, dovreste usare dei toroidali o qualche variazione sul tema? In molti casi la scelta viene già fatta per voi se decidete di farvelo avvolgere. Mi arrischierei a dire che il 99.9% degli avvolgitori usano trafo toroidali. Sono molto più semplici da avvolgere su specifica, sono più piccoli ed hanno un efficienza (peso/energia) maggiore. Negli ultimi anni abbiamo assistito alla discesa dei loro prezzi così che ora costano quasi quanto un trasformatore a lamierini, perdendo così l'ultimo loro reale svantaggio. E sono incomparabilmente più silenziosi, e teoricamente irradiano meno visto che concentrano il loro campo magnetico al centro.

Dico "teoricamente" perchè ciò dipende molto dalla qualità del materiale e dell'avvolgimento. Se avvolto correttamente, così che il secondario finisca nel punto dove era stato iniziato, e se vengono usati un nucleo e dei conduttori di qualità, allora esso mostrerà tutti i suoi pregi. In pratica, sfortunatamente, ho visto troppi toroidali che erano di bassa fattura a dispetto di quanto affermato dal costruttore.

Potete controllare questo aspetto abbastanza facilmente. Usando tutte le precauzioni necessarie, connettete il trasformatore alla rete, quindi connettete il vostro tester al secondario e misurate la sua corrente di riposo (la corrente usata senza carico). Ricordate che normalmente, su un trasformatore più grande dovreste misurare più corrente di quella misurata su uno più piccolo e, in tutti i casi, sarà dell'ordine delle decine dei milliampere, sotto i 30.

Due anni fa ho misurato un trasformatore toroidale realizzato da una ben conosciuta industria Britannica dato per 300VA - la corrente era di 17 mA. È ragionevole, ma niente di che. Poi misurai un trasformatore fatto su specifica da un costruttore Yugoslavo - misurai 14 mA, ma su un toroidale da 800VA. Quindi ricapitoliamo: un trafo di 2.7 volte la potenza dell'altro usa fino al 17% in meno di potenza a riposo - qual'è il migliore? lo zio Julije batte a man bassa i produttori di serie e, inoltre, ha anche i prezzi migliori.

Raddrizzatori

Un ponte raddrizzatore a onda intera consiste di quattro diodi. Può essere realizzato usando diodi discreti (ognuno nel suo contenitore), o può essere comprato già integrato in un contenitore plastico o metallico. Qui avete bisogno di prendere alcune decisioni.

Decisione numero uno - ve lo cotruite o ve lo comprate già fatto? entrambi gli approcci offrono vantaggi e svantaggi. Scegliedo i discreti avrete la possibilità di usare diodi Schottky molto veloci normalmente non disponibili in contenitore singolo. Comunque la maggior parte di tali diodi non hanno caratteristiche tali da poter essere utilizzati con elevati valori di tensione e/o corrente quindi possono essere utilizzati solo per raddrizzatori da usare in preamplificatori. I raddrizzatori in contenitore singolo invece sono studiati proprio per la rettificazione di alta potenza, e quindi trovare componenti con valori di 25-35A, 100-600V è molto semplice e non molto costoso. Inoltre, dato che questi oggetti sono fatti in modo da essere facilmente fissati su superfici dissipanti, è facile aumentarne le prestazioni e l'affidabilità. Un ponte da 25A 400V, tipo un KBPC04-25, costa tipicamente 4-5 Euro in Germania.

Qui bisogna fare una nota. Ultimamente alcuni costruttori si stanno indirizzando verso l'utilizzo di diodi Schottky ultra fast anche per i raddrizzatori di potenza affermando che questo migliora il suono. La teoria è che essendo questi diodi molto veloci il loro recovery time è estremamente più breve che nel caso di un diodo raddrizzatore normale; ancora, il loro rumore è minore. Poi c'è un altro gruppo che dice che mentre la velocità è senza dubbio buona, i diodi Schottky non hanno però la capacità di gestire corrente dei diodi normali e, ancora peggio, la tensione. Per esempio, Nelson Pass afferma molto chiaramente che in molti dei suoi progetti i ponti raddrizzatori classici hanno dato migliori risultati che non i diodi ultra fast Schottky.

Personalmente sono d'accordo con Mr. Pass. Non posso dire di aver speso molto tempo in sperimentazione, ma ho fatto qualche esperimento e, per l'esperienza che mi sono fatto, non userò mai diodi ultra veloci negli stadi di raddrizzamento per uno stadio finale - vanno bene per i pre, vanno bene per gli stadi di guadagno in tensione, ma non per gli stadi d'uscita. Potreste in parte compensare le loro prestazioni in corrente utilizzando il circuito di Figura 4 - in quel modo, dividendo il carico su due ponti, raddoppiereste la capacità di trattare corrente ma raddoppiereste anche il già non indifferente costo. In ultimo, anche se non se ne parla spesso, l'accoppiamento dei diodi in un ponte raddrizzatore non è un'aspetto insignificante ma, al contrario, una caratteristica importante - e sotto questo aspetto, un ponte integrato, nel quale tutti e quattro i diodi sono costruiti sullo stesso substrato, vince a mani basse.

Scegliere il ponte giusto è veramente facile. Dovete controllare le specifiche che dovrebbero mostravi i valori di tensione e corrente con due numeri. Uno, il più piccolo, è da considerare per l'applicazione senza raffreddamento addizionale, chiamato anche "free air capacity" e il secondo, più grande, per il caso in cui si adotti un sistema di raffreddamento (aletta). Quindi, se voi sapete di dover lavorare con un trasformatore con un secondario da, diciamo, 30V, che dopo il raddrizzamento diventano (30x1.41) 42V, per andare sul tranquillo potreste prendere un ponte da 80V. Comunque, come vedrete, componenti da 100 o 125V costano solo leggermente di più, e così anche per tensioni più alte; quindi conviene scegliere un componente che vada bene per la maggioranza dei casi e non cambiare più a meno che non sia necessario.

Ugualmente per la corrente, leggete il valore del vostro trasformatore - sarà qualcosa tipo "30-0-30, 2x5A" per un componente da 300VA. Ovviamente avrete bisogno di un ponte da, minimo, 5A, 7A è meglio e 10A lo è ancora di più. Ancora, in breve tempo vi accorgerete che un ponte da 25A 400V costa veramente poco di più, quindi il buon senso vi dice che è meglio aver per le mani un'ottimo componente - sceglietene uno con il contenitore metallico, l'affidabilità ne gioverà molto e potrete usare il mobile dell'ampli per il raffreddamento, e l'unico prezzo da pagare saranno le connessioni ai condensatori di filtro o alla loro scheda.

Un'altra ragione per cui è meglio scegliere un ponte più potente sono i condensaori che seguono. Se volete metterne di alto valore, dovete considerare il componente che li dovrà caricare - meno corrente significa una carica più lenta. Ancora, durante l'accensione, i condensatori sono a tutti gli effetti un corto circuito che stressa non poco il raddrizzatore; quindi nuovamente maggior potenza è meglio.

Quindi, il vostro raddrizzatore deve essere più potente del vostro trasformatore; qaunto più potente dipende anche dal valore della capacità che segue, dal vostro budget e dalle vostre preferenze.

Condensatori

Come precedentemente notato, i condensatori elettrolitici hanno due funzioni - quella di filtrare la tensione raddrizzata e quella di funzionare come immagazzinatori di energia per quei picchi che possono richiedere molta corrente. In realtà essi hanno anche una funzione di stabilizzazione della tensione legata al loro funzionamento come immagazzinatori di energia che isolano il trasformatore dal carico, ma questa funzione non è di primaria importanza (sebbene sia ben lontana da non essere importante). La mia priorità è questa: 1) filtraggio 2) riserva d'energia.

In pratica, i costruttori tendono a usarli come panacea o cura generale di tutte le altre deficienze degli alimentatori. Non c'è dubbio che i condensatori di filtro abbiano un'influenza cruciale sul suono ottenuto - su questo siamo tutti d'accordo, qualsiasi sia la scuola di pensiero dalla quale si viene. Perciò essi richiedono una considerazione speciale.

Prima di tutto la loro capacità. Se volete rendervi conto del loro costo, una regola "spannometrica" è di considerare 1,000uF per ogni Ampere RMS di corrente. In pratica, ciò farà lavorare sempre bene il vostro ampli, anche sui carichi più bassi. Comunque, giusto per mettersi al sicuro, è ancora meglio considerare di aver bisogno di 1,000uF per ogni Ampere di PICCO - questo effettivamente incrementa la vostra capacità di filtro di un fattore di 1.41.

Usando il nostro esempio, da 50/100/200W su 8/4/2 Ohms, ovviamente dobbiamo tener conto del caso più impegnativo, che è quello da 200W/2 Ohms. Quindi, la nostra corrente RMS sarà la seguente:

Radice quadrata di (potenza : impedenza di carico) = Rad. Quadrata (200:2) = 10A.

Perciò noi avremmo bisogno, al minimo, di 10,000uF per linea d'alimentazione. Se volete mettervi al sicuro, considerate la corrente di PICCO, che è 1.41 volte più elevata:

10A x 1.41 = 14.1 Amperes.

Il valore standard più vicino è 15,000uF, quindi dovremmo usare questo valore per ogni linea d'alimentazione. Se usate un solo trasformatore, avrete bisogno di 4 condensatori; se usate alimentazioni separate per ciascun canale, dovreste metterne 2x15,000uF per ogni canale.

C'è anche un altro approccio. È comunemente accettato che si ha necessità di 1-2 joules di energia ogni 10W di potenza d'uscita. Per un ampli da 50W/8 Ohms noi avremmo quindi bisogno di immagazzinare 10-20 joules di energia. Possiamo all'uopo usare una formula, 1/2C * V al quadrato (dove C è la capacità e V è la tensione, che deve essere elevata al quadrato) per calcolare che 15,000uF, seguiti da, diciamo, 33V (caso peggiore, a pieno carico) ci permette di immagazzinare 8.16 joules per condensatore, o 16.3 joules per canale - abbastanza per friggere un bel po'di diffusori sia economici che di classe media.
Se 33V è il nostro caso peggiore, possiamo assumere 36-38V di alimentazione senza carico (diciamo 37V), che significa che appena prima del transiente, noi avremo qualcosa come 20.5 joules immagazzinati nei condensatori di ciascun canale.

A questo punto dovete prendere un'altra decisione. Userete dei condensatori singoli di grande capacità, o ne collegherete 2 o più di minor valore in parallelo? I condensatori più piccoli, a parità di altri fattori, si caricano e scaricano più velocemente per natura, e questo è un bene, ma essi hanno anche maggiori valori di impedenza e induttanza e questo è male.

Per decidere, usate il seguente approccio come una possibilità. Verificate tutti i valori rilevanti per un condensatore da 15,000uF e 6,800 uF della stessa serie (8,200uF è ancora meglio!).
Mettendo due condensatori in parallelo si divide la loro impedenza - scordiamoci l'induttanza per il momento. Se due condensatori di questo tipo collegati insieme forniscono un valore d'impedenza minore di quello di un singolo condensatore da 15,000uF, allora utilizzate i due più piccoli.
Bisogna SEMPRE scegliere la minor impedenza, dato che ciò ha una significante influenza sul fattore di smorzamento.

Di seguito, ripetete la stessa procedura con qualche condensatore di alta qualità come Elna o Siemens. Tenete conto però che potrete trovare che non tutti i costruttori forniscono gli stessi valori - per esempio, i Siemens Sikorel sono facili da trovare solo nel formato 10,000uF/40 o 63 V. Fate sempre molta attenzione al valore d'impedenza.

Naturalmente vi renderete immediatamente conto che condensatori d'alta qualità forniscono valori ragguardevoli, ma ad un certo costo. Quindi controllate il prezzo e scegliete sempre il massimo che potete permettervi. In questo caso, potrete ben constatare che i componenti più "ragionevoli" sono una coppia di Elna, ognuno da 8,200uF/50V, in parallelo - questi vi forniranno degli ottimi valori d'impedenza incrementando, al contempo, la capacità totale; tutto ciò che volevate e di cui avevate bisogno.

Più o meno la stessa procedura può essere applicata a tutti i casi - il metodo è lo stesso, cambiano solo i valori assoluti. Una nota - Il metodo descritto va bene per quanto riguarda le applicazioni audiofile, dato che si assume il caso peggiore come requisito, nel nostro caso pilotare un carico di 2 Ohm in modo continuo. Ciò, nella realtà, difficilmente avviene, quindi lo scenario descritto è veramente la situazione peggiore che ci permette di avere riserve anche per impedenze minori su tempi più brevi. Potrei aspettarmi di poter gestire un burst da 1 Ohm e 350 e passa watt, con più di 26 Amperes di corrente. L'alimentatore può farlo - non sono sicuro per l'ampli.

Un altro problema non spesso risolto è se usare i condensatori montati a circuito stampato o fissati al mobile e collegati tramite cavi. Nuovamente ogni soluzione ha i suoi vantaggi e svantaggi.

Il montaggio a circuito permette di posizionare i condensatori vicino allo stadio d'uscita e di eliminare qualsiasi collegamento tramite cavo. Questo è un vantaggio e noi lo vogliamo. D'altra parte, i condensatori sono piuttosto grossi e relativamente pesanti, perciò essi tendono a vibrare e noi non vogliamo che ciò accada. Se scegliete questa soluzione usate molto silicone in pasta o collante per fissare i condensatori alla scheda.

I condensatori da montare a staffa, preferiti nel mondo professionale che, con tutto il dovuto rispetto, si rivolge all'elettronica in generale più che alle aziende di hifi, sono considerabilmente più grossi, pesanti e costosi. Sono più difficili da trattare dato che richiedono dell'hardware aggiuntivo per essere fissati ma, per contro, un montaggio ben realizzato eliminerà tutte le vibrazioni ad un livello che sarebbe semplicemente impossibile da raggiungere con un montaggio a stampato. La colla e le saldature vanno bene ma non possono paragonarsi a delle buone viti. Inoltre i condensatori di grosse dimensioni tendono ad avere un'impedenza più bassa rispetto alle versioni similari da stampato, ed anche la loro capacità di erogare corrente è maggiore. Noi vogliamo tutto ciò. I difetti consistono nel dover usare dei cavi di connessione, che, di per se stessi, costano, non sono eleganti e introducono contatti addizionali.

Qualche anno fa, c'è stato un articolo in Britain's Hi-Fi & Record Review di Martin Colloms, nel quale egli testò alcuni condensatori di filtro. Se la memoria m'assiste, egli fece la prova usando vari tipi di prodotti audiofili ben conosciuti e di differenti forme, misure e tecniche costruttive e trovò che i condensatori più grandi tendevano a suonare meglio di quelli piccoli. Quindi i condensatori con staffa di fissaggio, e con le stesse caratteristiche, tenderanno a suonare meglio che gli stessi modelli da circuito stampato. Ma costeranno anche di più e saranno più difficili da installare dato che richiederanno più spazio all'interno del cabinet.

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HTML Editing by Scott Faller - Traduzione: Giovanni Aste