Quale alimentatore per gli amplificatori di potenza
Quello che cercherò di esaminare saranno le diverse tipologie di alimentazioni che abbiamo avuto modo di testare e utilizzare nelle nostre realizzazioni e che hanno condizionato le nostre scelte finali. Partendo dal presupposto che tutti gli amplificatori di potenza richiedono una fonte di alimentazione adeguata e poiché gli amplificatori hanno un’efficienza inferiore al 100%, la quantità di potenza richiesta all’alimentazione per essere immediatamente disponibile è sempre maggiore di quella fornita agli altoparlanti.
Tipologie di alimentazione:
I metodi più comuni per alimentare un amplificatore si possono riassumere in:
1- alimentazione semplice non regolata;
2 – alimentazione lineare regolata (stabilizzata) ;
3 – alimentazione switching.
Alimentazione semplice non regolata – Si tratta di una realizzazione semplice, affidabile e ragionevolmente economica. E’ costituita dal tradizionale trasformatore di rete in rame e ferro, raddrizzatore a ponte e livellamento con condensatori elettrolitici di capacità elevata. Non c’è possibilità di instabilità o interferenza di HF. Soddisfa la richiesta di fornire maggiore potenza sui transienti e picchi dell’amplificatore. Di contro la potenza su 4 Ω non è il doppio di quella su 8 Ω perché la tensione di alimentazione diminuisce con l’aumento della richiesta di potenza. L’alimentatore fornisce sempre la massima potenza possibile. L’ondulazione in uscita in CC non è difficile da gestire e si possono facilmente ottenere livelli di ronzio di pochi mv. Il trasformatore di rete è relativamente pesante e ingombrante. L’assenza della tecnologia switching non significa totale assenza di emissioni di RF. Il raddrizzatore a ponte genera raffiche di RF a 100 Hz, quando i diodi sono inattivi, che aumentano con l’aumentare della corrente assorbita.
Alimentazione lineare regolata – Con la tensione di alimentazione regolata l’amplificatore può avvicinarsi a una sorgente di tensione perfetta, che darebbe il doppio della potenza su un carico da 4 Ω rispetto a quello da 8 Ω; tuttavia, bisogna considerare le perdite dipendenti dal carico nella fase di uscita. Una tensione di alimentazione regolata fornisce all’amplificatore una potenza di uscita audio assolutamente coerente alle specifiche del progetto rispetto le variazioni della tensione di rete, può essere progettata in modo che non sia presente alcuna ondulazione sull’uscita in CC (in altre parole, il ripple è inferiore ad altre forme di alimentazione). Il cablaggio dell’amplificatore di potenza è facilitato, se i regolatori mantengono un’alimentazione completamente pulita, anche alle improvvise richieste di corrente, altrimenti, ci sarà la possibilità di diafonia tra i canali. Quest’ultima può essere ridotta con regolatori separati per ogni canale. Esiste la possibilità di implementare un circuito di spegnimento elettronico in caso di guasto in CC dell’amplificatore, questo fa si che si potrebbe fare a meno del relè di protezione in uscita; tuttavia, questa soluzione aggiunge circuiti significativi senza la garanzia che un dispositivo simile in caso di guasto nei regolatori lasci gli altoparlanti fuori pericolo. Inoltre è una realizzazione complessa e quindi potenzialmente meno affidabile. Il sistema di amplificazione complessivo è più complicato. Il numero di componenti più elevato ne riduce l’affidabilità complessiva nel tempo. Se l’amplificatore di potenza si guasta a causa di un dispositivo di uscita, probabilmente anche il relativo dispositivo di regolazione può guastarsi. Comparativamente costoso. È probabile che l’impedenza di uscita del regolatore aumenti con la frequenza e questo può dar luogo ad alcuni spiacevoli tipi di instabilità in HF. La dissipazione di potenza complessiva, per una data uscita, è notevolmente aumentata a causa della perdita di tensione attraverso il sistema di regolazione. La risposta alle richieste di corrente transitoria è probabilmente più lenta.
Alimentazione switching – La maggior parte dei vantaggi sono simili a quelli della regolazione lineare . Il ripple può essere inferiore rispetto ad alimentatori semplici, anche se mai basso come un regolatore lineare. Tipico un livello picco picco da 20mV. Non vi è alcun trasformatore di rete pesante e questo significa un notevole risparmio di peso. Può essere predisposto per spegnersi se nell’amplificatore si sviluppa un pericoloso offset in CC. Gli alimentatori in modalità Switching sono una fonte prolifica di interferenza di frequenza. Questa è estremamente difficile da eliminare completamente dall’uscita audio. L’ondulazione in uscita a 100 Hz è significativa e richiede precauzioni nella progettazione degli amplificatori. L’alimentatore è pericoloso se non correttamente rivestito, poiché è presente un’elevata tensione in CC. La risposta alle probabili richieste di corrente transitoria è relativamente lenta.
Il trasformatore di alimentazione – Il trasformatore modifica la tensione di rete con una tensione inferiore necessaria per le linee di alimentazione in CC. Questo è solitamente l’elemento più pesante di un amplificatore di potenza ad alte prestazioni. Le dimensioni e il peso aumentano in proporzione alla potenza espressa in VA (Volt Ampere). Ma le dimensioni per un dato valore di VA possono variare notevolmente con la tecnologia e il disegno, quindi la potenza di un alimentatore non dipende solo dalle dimensioni del trasformatore. Da tenere conto che negli amplificatore di fascia alta il trasformatore è sovradimensionato con l’intento di migliorare la qualità del suono. Il sovradimensionamento aiuta anche ad abbassare l’impedenza della sorgente. Un nucleo sovradimensionato è meno sensibile alla saturazione parziale quando sono presenti anche piccole tensioni armoniche sull’alimentazione in CA. I trasformatori negli amplificatori audio ad alta potenza possono facilmente irradiare campi magnetici in CA particolarmente forti, a 50 / 60Hz e alle frequenze armoniche dispari, ad es. 150Hz e 250Hz per cui per ridurre tali dispersioni conviene utilizzare trasformatori toroidali o C core . Inoltre, sempre per ridurre le dispersioni, si possono utilizzare schermi di rame intorno e sopra gli spazi vuoti del trasformatore. L’assemblaggio nel contenitore metallico può essere fatto in posizione orizzontale o verticale a seconda le esigenze prestando attenzione a non creare anelli metallici (fig.1). Potrebbe essere necessario anche ruotarlo per ridurre l’effetto della dispersione del campo magnetico eventualmente captato dalle elettroniche poste a ridosso del trasformatore.
Raddrizzatori – Bisogna considerare che normalmente i raddrizzatori al silicio sono piuttosto lenti e la loro incapacità di interrompere il flusso di corrente limita la loro efficacia a frequenze al di sopra di 5-20 kHz. La rettifica produce armoniche che contengono proprio tali frequenze, anche se in piccola quantità. La commutazione lenta comporta la produzione di piccole raffiche di RF due volte ogni ciclo. Questa oscillazione di RF è comunemente in grado di “passare attraverso” il trasformatore, per apparire sul cavo di rete che conduce all’amplificatore, da cui è possibile la conduzione o una leggera radiazione ad altre apparecchiature collegate. Le emissioni RF devono essere ridotte, sia per soddisfare le normative EMC (direttiva europea che riguarda le apparecchiature elettriche ed elettroniche che possono creare perturbazioni elettromagnetiche), sia se si vogliono realizzare apparecchiature di fascia alta e migliorare la qualità del suono. Una soluzione può essere l’utilizzo di diodi raddrizzatori più veloci e più puliti come quelli di tipo Schottky; un’altra soluzione può essere quella di smorzare i picchi delle oscillazione con piccoli condensatori (ad esempio da 10nF) posizionati vicino ai terminali del ponte (Es. schema fig.2). L’ESR dei condensatori deve essere molto basso poiché la sorgente di rumore ha un’impedenza bassa.
Condensatori elettrolitici di alta capacità – I condensatori elettrolitici, che oltre al livellamento agiscono da serbatoio di corrente, in funzione della loro elevata capacità sono realizzati in alluminio e hanno delle tolleranze considerevoli oltre ad un ESR (resistenza equivalente in serie) e ESL (induttanza equivalente in serie) elevata. Nei circuiti di alimentazione contribuiscono alla distorsione armonica preesistente sull’alimentazione di rete. L’effetto è peggiore quando la capacità (μF) è alta e l’impedenza in serie dell’alimentatore è bassa rispetto l’impedenza della sorgente di rete. L’utilizzo di condensatori con basso ESR è la soluzione migliore e nel caso di alte capacità il valore ESR può mantenersi più basso, in particolare a frequenze alte, utilizzando più condensatori di minore capacità collegati in parallelo. Trovare condensatori a basso ESR non è facile perché non sempre i costruttori ne indicano le specifiche complete. In rete è possibili trovare un elenco di “Bad Cap manufacturers” per farsi un’idea di ciò che si sta acquistando. Da considerare anche che i condensatori hanno ore di lavoro limitate (MTBF) che dovrebbero essere indicate dai costruttori.
Metodi di alimentazione – Per gli amplificatori, ci sono sostanzialmente tre possibilità di alimentazione:
a) Con trasformatore doppio (dual mono). Ogni amplificatore ha la propria alimentazione, completamente isolata. I due canali possono gestire segnali completamente diversi in ogni istante. L’isolamento dei componenti condivisi può migliorare notevolmente la profondità e la stabilità dell’immagine sonora. Per perseguire correttamente questo obiettivo, idealmente non si dovrebbe condividere nemmeno lo stesso cavo di alimentazione, o addirittura il collegamento alla stessa rete elettrica.
b) Trasformatore con primario condiviso. Costituito dall’avvolgimento primario condiviso e dagli avvolgimenti secondari separati. La separazione è solo galvanica o “ohmica”; in realtà i due secondari sono legati attraverso il loro nucleo comune e entrambi saranno soggetti alle variazioni reciproche legate ai picchi di assorbimento dei due canali dell’amplificatore.
c) Con trasformatore condiviso. Sistema più economico che può variare da un unico ponte e condensatori di livellamento comuni per i due canali, all’utilizzo di due ponti collegati all’uscita dell’avvolgimento secondario del trasformatore. Qui i due alimentatori “stereo”, anche se isolati, sono collegati tra loro dai diodi o ponte raddrizzatore. Questo causa una piccola perdita di efficienza e affidabilità in cambio di un grande miglioramento della ridondanza. Gli effetti sonori sono imprevedibili poiché l’isolamento viene perso sui transienti. La fornitura di potenza comune dell’alimentatore, che potrebbe essere stimata il doppio di quella necessaria per singolo canale, è disponibile per entrambi i canali. Per una buona sonorità è necessario una grande cura nel cablaggio di massa e di messa a terra.
Quale alimentatore scegliere. Mentre nei circuiti che non richiedono un eccessivo assorbimento di corrente non vi è dubbio che il migliore compromesso è l’alimentazione stabilizzata ( es. pre amplificatori, dac ecc), negli amplificatori audio la scelta è condizionata dalla potenza e dall’affidabilità nel tempo. L’utilizzo di un alimentatore regolato può essere una scelta ragionevole in amplificatori con potenze inferiori a 20-40 watt in classe AB e non più di 20 in classe A. Un buon compromesso, che consente di avere i vantaggi dell’alimentazione stabilizzata e di quella non regolata, è la doppia alimentazione dell’amplificatore di potenza. In pratica l’alimentazione stabilizzata va ad alimentare tutti gli stadi che precedono lo stadio finale ( es. stadio di ingresso, stadio pilota ecc.) mentre l’alimentazione semplice non regolata viene utilizzata per alimentare lo stadio finale. Questa soluzione soddisfa due condizioni essenziali: la prima garantisce maggiore stabilità e basso rumore di alimentazione al circuito pilota e di ingresso; la seconda garantisce allo stadio finale l’utilizzo della massima potenza erogabile dall’alimentazione, anche nei picchi di potenza su carichi di bassa impedenza. Ovviamente stiamo parlando di alimentazione dual mono con trasformatori toroidali separati o al massimo alimentazione separata dove il trasformatore condivide solo l’avvolgimento primario. La scelta del trasformatore dipende molto dalla potenza che si vuole ottenere dall’amplificatore e dal carico che deve pilotare. Per essere chiari la potenza necessaria per un carico di 4 Ω è doppia di quella necessaria per un carico di 8 Ω. Se poi consideriamo che il diffusore non è un carico resistivo e ha un’impedenza che varia al variare della frequenza; sovradimensionare il trasformatore diventa la regola. Ad esempio per la realizzazione di un amplificatore da 100 Watt per canale su 8Ω e circa 180 su 4Ω ci siamo fatti costruire dei trasformatori da 400 VA (Volt Ampere) per una realizzazione dual mono. Le uscite dell’avvolgimento secondario sono: 2×36 V e 2×45 volt. La prima uscita, di maggiore potenza, serve per l’alimentazione semplice, non regolata, dello stadio finale (fig.2) mentre la seconda uscita verrà utilizzata per l’alimentazione regolata dello stadio di ingresso e stadio pilota (fig.3). La potenza di uscita del trasformatore è di circa 10 Ampere per ramo su 36 V. Questo significa che l’amplificatore disporrà di sufficiente corrente non solo per i carichi di 8Ω ma anche di 4Ω e con la riserva dei condensatori di livellamento è in grado di rispondere anche ad eventuali picchi su impedenze minori. Tenendo conto che la potenza necessaria per un uscita di 100 Watt su un carico di 8 Ω è di 3,53A e di 7,07A su un carico di 4Ω per una uscita di 200 Watt; la potenza di 10A erogata dal trasformatore è più che sufficiente. Su un carico di 2Ω ,per ottenere 400 Watt, la corrente necessaria sarebbe di 14,15A. Chiaramente questo è un ragionamento ipotetico che non tiene conto delle perdite. Nella realtà avremo qualche watt in più su 8Ω e qualche watt in meno su 4Ω. Il peso del trasformatore è di circa 3 Kg che ovviamente raddoppia nella configurazione stereo. E’ facile intuire che il peso complessivo di un amplificatore di potenza in classe AB, una volta terminato, potrà raggiungere facilmente i 20 Kg o più. Per quanto riguarda i condensatori una regola è quella di utilizzare 1.000μF per Ampere per cui, nel nostro caso, prendendo in esame l’assorbimento di corrente su 4Ω possiamo assumere una capacità di 10.000μF per ramo di alimentazione (+ -) o addirittura, prendendo come riferimento l’assorbimento massimo su 2Ω, 15.000μF sempre per ramo di alimentazione. La tensione livellata in uscita dell’alimentatore che va ad alimentare lo stadio finale è di (+ -) 50,76 Volt per ramo (36×1,41) per cui la tensione minima di lavoro dei condensatori deve essere di 60 Volt. La realizzazione di un buon alimentatore può incidere anche del 50 % sul costo finale di un amplificatore.
