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Gli amplificatori acustici

30.07.2015..
La funzione degli amplificatori

 

Esclusiva ReMusicContinua la pubblicazione in integrale di una serie di capitoli selezionati del nuovo libro di Bruno Fazzini, il Dizionario Enciclopedico dell’Audio Hi-Fi. Trovate la segnalazione dell'opera in questa News. Si tratta di un'altra esclusiva ReMusic, su amichevole concessione dello stesso autore ed editore, che qui ringraziamo ancora. Buona lettura e viva l'Hi-Fi...

 

Giuseppe Castelli

 

 

Premessa | Per rispettare le scelte progettuali dell'editore, le modalità di impaginazione e scrittura del seguente testo sono conformi allo stampato originale.

 

Nota | Nella foto principale, ampli finale monofonico Audiosophia F300Br, un single-ended da 30 watt

 

La funzione degli amplificatori

Un amplificatore è un dispositivo che ha la funzione di variare l'ampiezza di un segnale di un fattore moltiplicativo comunemente indicato come guadagno (A), solitamente espresso in dB. Si tratta di un apparecchio di tipo attivo (alimentato) ovvero che assorbe energia per assolvere il proprio ruolo di aumentare l'energia del segnale.

Nell'alta fedeltà di classe elevata, l'amplificatore può essere composto da due apparecchi distinti collegati insieme: il preamplificatore e il finale di potenza. Il primo si incarica di aumentare di una certa misura il livello in tensione del segnale da amplificare, mentre il secondo ne accresce ulteriormente il livello, fornendo al segnale anche una corrente adeguata, che si tradurrà in potenza elettrica (watt) se ai morsetti di uscita del finale è collegato un diffusore acustico.

Amplificatore Cary Audio CAD 300 se (fonte: koris.pl)

Amplificatore Cary Audio CAD 300 se (fonte: koris.pl)

 

Lo scopo di un amplificatore è perciò quello di amplificare, cioè rendere più forte (in termini di ampiezza) un segnale prelevato dai connettori d’ingresso e consegnato ai suoi morsetti di uscita. Se il segnale in arrivo non fosse amplificato non sarebbe in grado di pilotare alcun diffusore; quello proveniente da una sorgente viene adattato per poter governare un insieme di altoparlanti ad opera di diversi dispositivi idonei a questo scopo: valvole, transistor, FET (transistor “speciali”) e circuiti integrati, che determineranno un certo guadagno.

Questo valore è il rapporto fra il segnale in entrata e quello in uscita all’amplificatore. Il guadagno che fornirà un amplificatore è importante ai fini dell’ascolto, poiché il segnale che proviene da un microfono, da un fonorivelatore o da un registratore è di entità molto bassa (pochi millivolt); anche quello prodotto da un lettore cd, benché di entità maggiore, ha ancora necessità di essere amplificato. Alcuni sistemi di amplificazione sono a basso guadagno, mentre altri hanno un guadagno più alto; la differenza dipende dal numero di componenti presente nel circuito (stadi di amplificazione). Il sistema ideale è quello che permette l’amplificazione senza che si inneschino fenomeni di distorsione. Questo è possibile solo idealmente, anche se è presente negli intenti di tutti i progettisti di elettroniche. I due tipi più comuni di distorsione sono la distorsione armonica e la distorsione di intermodulazione.

La prima indica quanto viene alterato un segnale quando passa attraverso quel circuito, dal momento che il dispositivo, non riproducendo esattamente l'andamento del segnale in ingresso, lo modifica in alcuni punti alterandone il contenuto in frequenza. La distorsione armonica totale (in inglese total harmonic distortion, da cui l'acronimo THD) è un parametro che informa della distorsione che un dispositivo introduce nei segnali elettrici che lo attraversano. In generale un segnale che attraversa un qualunque dispositivo elettronico può subire un'alterazione del suo contenuto in frequenza; il segnale in uscita al dispositivo potrà quindi risultare alterato rispetto al segnale in ingresso e presentare della distorsione. Ai tempi della stesura dalle norme DIN (ricordiamo essere l’acronimo di Deutsches Institut für Normung, Istituto tedesco per la standardizzazione, una organizzazione tedesca per la definizione di standard, fondata nel 1917) fu stabilito che gli amplificatori Hi-Fi dovessero essere caratterizzati da un valore di THD inferiore all'1% in corrispondenza della potenza dichiarata. È buona norma che il valore di THD caratteristico di una specifica apparecchiature elettronica venga dichiarato sui data sheet e sui manuali d'uso dell'apparecchiatura stessa. Gli amplificatori per l'alta fedeltà di grande pregio hanno sempre più spesso distorsioni armoniche 100 volte inferiori a quanto stabilito dalle norme DIN.

 

L’amplificatore finale Plinius SA 103 amplifica molto, distorce poco ed è molto silenzioso (fonte: Plinius)

L’amplificatore finale Plinius SA 103 amplifica molto, distorce poco ed è molto silenzioso (fonte: Plinius)

 

La distorsione di intermodulazione, invece, è una interferenza nei segnali presenti in range differenti da quelli desiderati, causando sovrapposizioni e, quindi, distorsioni. Con il termine intermodulazione o distorsione di intermodulazione si intendono quei fenomeni che si producono quando un segnale transita in apparati o mezzi non lineari con produzione di frequenze spurie rispetto a quelle desiderate, ovvero traslate da una banda all'altra. L'intermodulazione produce, quindi, un disturbo o interferenza nei segnali presenti in bande differenti da quelle inizialmente considerate. Nella pratica il fenomeno si verifica spesso dato che molti sistemi fisici esibiscono un comportamento non lineare nella relazione tra l'ingresso e l'uscita. Questo accade in amplificatori che non hanno un comportamento lineare tra il segnale in entrata e quello in uscita. Oltre a questi fenomeni, tutte le macchine amplificatrici, anche le più silenziose generano, inevitabilmente, una certa quota di rumore più o meno udibile. Sarebbe bene scegliere sempre quelle più silenziose, anche se questo comporta un maggior impegno economico.

Gli amplificatori più silenziosi permetteranno una migliore percezione della dinamica, dal momento che la soglia del rumore sarà molto bassa e, di conseguenza, la gamma di riproduzione utile sarà maggiore, avendo a disposizione una superiore ampiezza (misurata in decibel).

 

Gli amplificatori e la loro efficienza

Ogni amplificatore, a seconda della sua classe di funzionamento ha un'efficienza teorica massima, determinata nel seguente modo: si applica in ingresso il massimo segnale sinusoidale tale che in uscita si abbia la massima potenza senza distorsione. Si calcola il rapporto fra la potenza ricevuta dal carico e la potenza erogata. Ciò perché anche gli amplificatori, non essendo strumenti perfetti, hanno un loro grado di efficienza e disperdono, sotto forma di calore, una certa quantità di energia fornita dal sistema di alimentazione domestico. In senso generale si può dire che più un amplificatore scalda e più breve sarà la sua vita; per questo motivo, sia su quelli a valvole che su quelli a stato solido in classe A, spesso i progettisti, per evitare l’eccessivo accumulo di calore che potrebbe accorciare la vita di alcuni componenti, prevedono delle ventole di raffreddamento (anche le più silenziose, però vibrano, generando una piccola quota di rumore). L’efficienza di un amplificatore dipende molto dalla sua classe di funzionamento.

 

Grafico della differenza di rendimento fra un ampli in classe AB (curva in basso) e uno in classe D

Grafico della differenza di rendimento fra un ampli in classe AB (curva in basso) e uno in classe D

 

Le evoluzioni degli amplificatori nella storia dell’Hi-Fi

Fino al primo dopoguerra, la totalità delle amplificazioni erano costituite da valvolari di bassa potenza (15-30 watt per canale). A causa di questo i costruttori di casse acustiche dovettero adeguarsi a produrre diffusori ad efficienza elevata. Nei primi anni dell'elettronica, infatti, la valvola termoionica si configurava come unico dispositivo attivo disponibile

In campo audio, per poter adattare l'elevata impedenza del tubo termoionico alla bassa impedenza del carico pilotato (l'altoparlante), si rende necessario l'uso di trasformatori. Ottenere una buona linearità nella risposta in frequenza del trasformatore comporta una costruzione accurata e precisa, con conseguenti costi molto elevati. I tipi di valvole impiegate sono molteplici: 300B, EL34, KT88 ecc. Il suono ottenuto ha una discreta dinamica e presenta una tonalità "calda" e poco affaticante per l'orecchio umano in quanto al segnale riprodotto si aggiunge una distorsione dovuta in gran parte alle sole armoniche pari (2°, 4°, 6° armonica, pari cioè a 2, 4, e 6 volte la frequenza originale) il che evita la sensazione di suono metallico e stridente sulle alte frequenze e la fatica d'ascolto, rendendolo invece gradevole e poco faticoso. Tale tecnologia per la riproduzione musicale ha la capacità di sopportare senza conseguenze sovraccarichi momentanei e presentare meno fastidio all'orecchio nel caso il circuito vada in saturazione. Le potenze così ottenute possono variare da pochi watt fino ad oltre 100.

Gli amplificatori valvolari hanno generalmente delle peculiarità: impedenza d'ingresso elevatissima (grid input), impedenza d'uscita generalmente alta, attitudine ad amplificare tensioni elevate, bisogno di un'alimentazione supplementare per i filamenti (valore tipico 6,3 V), alta tensione di alimentazione anodica che necessita di particolari accortezze e generazione di molto calore, cosa che richiede dei sistemi di dissipazione ben realizzati. Le valvole si esauriscono dopo un periodo di lavoro piuttosto prolungato.

Accade pertanto che in campo audio, per potenze elevate, si ricorre alla tecnologia a transistor (dispositivo a semiconduttore), a causa del costo e dell'ingombro enormemente maggiore che ha un amplificatore a tubi di uguali prestazioni.

A metà degli anni sessanta le valvole lasciarono progressivamente il posto ai più moderni transistor adottati in amplificatori capaci di erogare potenze di oltre due volte superiori a quelle valvolari (migliore rendimento)

Gli amplificatori a stato solido, pertanto, non fanno uso di tubi termoionici, bensì della tecnologia successiva, iniziata con l'invenzione del transistor a giunzione bipolare (BJT), e i successivi JFET e MOSFET, dispositivi specializzati ognuno per amplificare il segnale in tensione o in corrente. In questa categoria rientrano anche i dispositivi a circuito integrato, disponibili ormai per tutte le applicazioni. Il guadagno dell'amplificatore dipende sia dal tipo di transistor che dal circuito esterno, ed è fissato dal costruttore in fase di progetto. Un amplificatore a componenti "discreti" è costituito da uno stadio di ingresso nel quale sono presenti uno o più transitor che preamplificano il segnale per portarlo ad un livello tale da poter essere utilizzato da altri transistor, denominati finali, i quali alzano ulteriormente il livello di tale segnale che viene poi trasferito ad un diffusore acustico con caratteristiche adeguate alla potenza che l'amplificatore è in grado di erogare. Nel caso lo stesso circuito sia realizzato con IC (circuito integrato), viene definito col medesimo termine.

I transistor e gli IC di potenza dei circuiti finali, lavorando, generano calore ed è per questo motivo che occorre montarli su un dissipatore (generalmente in alluminio) con superficie irradiante proporzionata alla potenza in watt da dissipare, il quale, per convezione, trasferisce all'ambiente il calore prodotto dalle giunzioni dei transistor finali.

La capacità di pilotaggio dei diffusori non cambiò gran che, dal momento che con 30 watt a valvole si riescono, anche oggi, a pilotare gli stessi diffusori gestiti con 60 watt a stato solido. La vera innovazione dell’epoca stava nel minore peso, ingombro e costo delle amplificazioni a stato solido, presentate dai critici come delle vere rivoluzioni tecniche. E rivoluzionarie, queste amplificazioni, lo erano veramente; peccato che suonavano decisamente peggio di quelle precedenti nonostante presentassero, sulla carta, delle specifiche tecniche di tutto rispetto.

 

Verso al fine degli anni settanta, le potenze disponibili crebbero ancora, passando dai 60-70 watt ai 150 watt per canale senza troppo sforzo, e costringendo i costruttori di casse acustiche ad adeguare le tenute in potenza dei trasduttori. Nel decennio seguente, mantenendo più o meno inalterati ingombri e pesi, si arrivò a produrre ampli in grado di erogare anche 300 watt per canale. Negli anni novanta, poi, ci fu una rivoluzione di portata simile a quella avvenuta negli anni sessanta: vennero presentate le amplificazioni switching, grazie alle quali ingombri e pesi vennero ulteriormente ridotti agendo sul sistema di alimentazione. Questi amplificatori modulano il valore medio della tensione applicata al motore e non il loro valore istantaneo, modulano perciò la durata degli intervalli di apertura e di chiusura del circuito di collegamento tra un alimentatore a corrente continua ed il carico. 

 

Una quindicina di anni dopo, implementando ulteriormente gli stadi di uscita a commutazione, vennero proposte le amplificazioni in classe D che lavorano, praticamente, come un comune circuito digitale. Sono amplificatori a commutazione utilizzati spesso per sorgenti digitali la cui massima efficienza li rende particolarmente adatti nell'elettronica di alta potenza. L'efficienza teorica è del 100%, che si riduce, nella pratica, al 94% circa.

In questo ultimo caso il vero miglioramento va nella direzione del rendimento di conversione che è sempre più vantaggioso, oltre ad avere pesi, ingombri e costi davvero convenienti.

E il suono? Se molti appassionati, oggi, ancora preferiscono il suono dei valvolari, o degli amplificatori in classe A, un motivo ci dovrà pur essere, nonostante questo comporti di doversi mettere in casa dei dinosauri se confrontati con le moderne amplificazioni in classe D. Oltre al fascino dell’oggetto d’altri tempi, il valvolare ha, soprattutto se si considera un amplificatore a tubi di moderna progettazione, un suono particolarmente accattivante che lo fa preferire, grazie alla sua straordinaria musicalità e trasparenza, alle elettroniche più moderne.

Per completezza d’informazione va però detto che alcune amplificazioni in classe AB, sono di una tale, elevatissima qualità e musicalità generale, da non far minimamente rimpiangere le elettroniche valvolari. Anche questi amplificatori, però, se costruiti allo stato dell’arte, hanno pesi e ingombri non indifferenti. Ma anche qui esistono autorevoli eccezioni (Spectral).

 

 

Il libro

Bruno Fazzini

Dizionario Enciclopedico dell’Audio Hi-Fi

edito in proprio

formato digitale 9,99 euro euro


L'autore

Bruno Fazzini dal 1994 è stato recensore per la rivista Fedeltà del Suono, arrivando a rivestire dal 2006 il ruolo di Coordinatore di Redazione.

Attualmente dirige due riviste online: la Hi Fi Time Review e la Vintage Hi Fi Club.

Da circa dieci anni è il patron del punto vendita Sophos Hi End, specializzato in componenti di gamma alta.

Da quest’anno è anche il titolare, insieme al suo socio Massimo Piantini, della Blue Moon Audio Technology, che produce tutti gli anelli della catena d’ascolto, dai file audio ai lettori per i file, dai convertitori ai preamplificatori, dagli amplificatori finali ai sistemi per la multiamplificazione, dai grandi diffusori in array a cavi, tavolini portaelettroniche e basi antivibrazioni. Ognuno di questi prodotti vuole avere carattere fortemente innovativo in ambito audio.

 
di Bruno Fazzini
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