6. Ulteriori specifiche tecniche per gli amplificatori di potenza professionali

Fattore di distorsione

In matematica, ogni volta che si parla di un fattore, si parla di un rapporto tra due quantità senza unità, espresso in forma decimale o percentuale (e fin qui tutto bene). Inoltre, naturalmente, abbiamo bisogno di almeno due valori di una grandezza fisica, che vengono poi posti in rapporto.

La distorsione armonica totale (THD) è la distorsione che colpisce il segnale sinusoidale originale.

Fattore di distorsione

A causa del comportamento non lineare dei vari componenti (transistor, diodi, trasformatori, ecc.) nella tecnologia di amplificazione, le armoniche si sovrappongono all'oscillazione fondamentale e generano le cosiddette distorsioni non lineari, che vengono percepite come uno sgradevole rumore alle alte frequenze. Quando si progettano amplificatori di potenza, è necessario trovare un compromesso tra la distorsione armonica e la complessità del circuito. L'orecchio umano non percepisce la distorsione alle basse frequenze come fastidiosa a partire da un tasso di distorsione del 5%, mentre alle alte frequenze la distorsione può essere chiaramente percepita a partire da un tasso di distorsione dello 0,5%.

Tali componenti possono essere, ad esempio:

• transistor
• valvole (purtroppo!)
• bobine e trasformatori
• diodi
• condensatori, ecc.

Questi componenti hanno una curva caratteristica non lineare, per cui si ottengono automaticamente le distorsioni menzionate sopra. Queste, a loro volta, determinano la comparsa di armoniche legate alle oscillazioni fondamentali.

Da un punto di vista puramente matematico, questa formula fornisce il tasso complessivo di distorsione armonica:

Fattore di distorsione armonica totale

I valori RMS delle armoniche sono correlati al valore RMS totale, compresa la componente fondamentale (segnale armonico). Questo aspetto è abbastanza complicato, quindi per ora lo ignoreremo.

L'importante è che la distorsione armonica sia sempre minore o uguale a uno e che possa essere espressa anche in decibel:

Per rendere il valore dei decibel un po' più accessibile per noi, quindi:

• un valore di -40 dB corrisponde a un fattore dell'1%
• un valore di -60 dB corrisponde a un fattore di 0,1%

Questo ci porta immediatamente a valori buoni e persino a valori quasi impossibili da raggiungere. Il nostro orecchio, anche se allenato, difficilmente percepisce una distorsione armonica inferiore all'1%, a meno che la natura del segnale utile non sia molto povera di armoniche e ricca di presenza (ad esempio un flauto).

Allo 0,1% si raggiunge il limite tra percettibilità e sforzo tecnico (qualità dei componenti e dei circuiti): un amplificatore di potenza che raggiunge in modo affidabile questo valore è considerato di prima classe.

Fattore di smorzamento

Da un punto di vista generale, il fattore di smorzamento è un rapporto che descrive il valore tra la resistenza d’ingresso e quella d’uscita di due amplificatori. Per noi, ciò significa che l'impedenza dell'altoparlante (= resistenza d'ingresso) è correlata all'impedenza d'uscita dell'amplificatore di potenza (= resistenza d'uscita):

Fattore di smorzamento

Tuttavia, più in dettaglio, il fattore di smorzamento rappresenta il rapporto tra la bobina dell'altoparlante e il resto dell'intero circuito. Non si tratta solo delle resistenze dei cavi degli altoparlanti e della resistenza interna di un eventuale crossover, ma anche delle scarse resistenze nella transizione tra le connessioni. Ciò significa che questi pochi milliOhm si aggiungono a ogni connessione alla resistenza d'uscita dell'amplificatore di potenza, anche se è molto bassa (nell'ordine dei milliOhm, ad esempio 0,04 Ohm o 40 mOhm), peggiorando così il nostro fattore di smorzamento!

Se rapportiamo il suddetto valore di impedenza di uscita di 0,04 Ohm all'impedenza di un altoparlante da 4 Ohm, otteniamo un fattore 100, che è assolutamente indispensabile perché questo amplificatore di potenza assolva alla sua funzione PA. Se così non fosse, la capacità di trasporto di tensione dell'amplificatore sarebbe troppo bassa e parte della potenza d'uscita prodotta verrebbe convertita in calore; cosa che, ovviamente, non è auspicabile! Gli amplificatori di potenza professionali offrono quindi fattori di smorzamento di circa 3000, ma per le ragioni descritte sopra (cavi, transizioni, ecc.), questi valori sono piuttosto teorici.

Conclusione: maggiore è il fattore di smorzamento, migliore è la trasmissione di potenza.

Fattore di cresta

Il fattore di cresta corrisponde al valore massimo della tensione di alimentazione, almeno da un punto di vista elettrotecnico.

Questo valore è significativamente più alto del valore RMS generalmente misurato e utilizzato. Il rapporto tra questi valori risulta nel fattore di cresta, che può essere calcolato sia per le tensioni alternative che per le correnti alternative. Per il nostro esempio di tensione di rete, si otterrebbe quindi:

Fattore di cresta

Per una tensione sinusoidale pura, questo fattore è pari alla radice quadrata di 2 = 1,41. Ciò significa che la nostra tensione di rete di 230 V ha un valore di picco di 325 V! Tutti i componenti elettronici che lavorano con la tensione di rete devono quindi essere in grado di resistere a questo valore per un breve periodo.

Idealmente, il suddetto valore di 1,41 non dovrebbe cambiare. Purtroppo, però, gli alimentatori o altri dispositivi, come i dimmer o i regolatori a tiristori, hanno un fattore di cresta più alto nel funzionamento a carico parziale, che può arrivare a 10 o più a causa dell’assorbimento di corrente sotto forma di impulsi!

Un fattore di cresta elevato provoca una distorsione della potenza reattiva (perdita di energia non necessaria) e quindi armoniche nella rete elettrica cosa che, come potrai immaginare, è assolutamente indesiderabile. Per riassumere: più basso è il fattore di cresta, minore sarà l'influenza sulla rete.

Slew-Rate

La Slew-Rate, o velocità di risposta, è il punto in cui le cose si fanno davvero tecniche. Anche in questo caso, come per il fattore di cresta, abbiamo a che fare con un rapporto tra valori.

Slew-Rate

La Slew-Rate definisce la velocità massima di variazione di un segnale, che risulta dall'aumento di una tensione in un determinato periodo di tempo (e di frequenza). Il segnale percorre quindi una certa distanza (pendenza della tensione) in un certo lasso di tempo. Cosa hai detto? La distanza per il tempo è... sì, la velocità. La slew-rate ci dà la massima velocità di salita o discesa della tensione d’uscita di un circuito di amplificazione.

Non è molto semplice, quindi osserviamo il grafico registrato con un oscilloscopio:

Puoi vedere chiaramente le due croci sulle linee verticali, che delimitano con precisione il fronte di salita del segnale misurato. Ne risulta un delta U (tensione) su un delta t (tempo) e quindi la pendenza della curva.

Nelle schede tecniche, la velocità di risposta degli amplificatori operazionali è specificata in Volt per microsecondo, dove i valori compresi tra 5-300V/µs sono da considerare realistici. In generale, per gli amplificatori hi-fi, si parla di valori compresi tra 1 e 80V/µs e di estremi fino a 6000V/µs per le applicazioni video.

Naturalmente, tutto ha una fine o un limite e anche il miglior amplificatore operazionale, a un certo punto, potrebbe non essere più in grado di trasmettere correttamente un segnale con elevata pendenza, il che significa che c’è un altro valore da prendere in considerazione: quello della frequenza di taglio. Anche in questo caso (come per la velocità di risposta) più alta è, meglio è. In linea di massima, un buon valore si colloca nell'intervallo dei Megahertz. Entrambi i valori si trovano nelle schede tecniche degli amplificatori di potenza.