Misura impedenza di ingresso e uscita di un circuito amplificatore di segnale audio
Conoscere l’impedenza di ingresso e di uscita di un preamplificatore, un amplificatore o altro circuito elettronico semplifica la scelta degli accoppiamenti dei componenti nella realizzazione di una catena hi fi. La corretta connessione dell’impedenza di uscita e entrata tra i componenti elettronici consente di mantenere la qualità del segnale audio che li attraversa. Non sempre nelle apparecchiature elettroniche in commercio questi valori sono dichiarati. Così come è importante rilevarli anche nelle nostre realizzazioni. Per conoscere l’impedenza di ingresso e uscita di un circuito amplificatore di segnale audio la misura non può essere fatta direttamente, almeno nell’ambito di utilizzo di strumenti economici, ma deve essere calcolata rilevando la tensione ai capi di un carico d’ingresso per l’impedenza di ingresso (fig.1) e la tensione in uscita a vuoto e con carico per l’impedenza di uscita ( fig.2). Ovviamente il risultato non sarà di alta precisione, ma comunque sufficiente per darci un’indicazione sulla compatibilità delle apparecchiature che vogliamo connettere.
Per le misure il minimo che ci serve è un multimetro digitale, una resistenza tra 1000 e 10000 ohm, una resistenza tra 50 e 500 ohm, un segnale audio sinusoidale e dei connettori. Il valore preciso delle resistenze possiamo rilevarlo con il multimetro. Il segnale audio possiamo ottenerlo anche dallo smartphone. Ci sono diverse app. in proposito. Una maggiore precisione nelle misure si può ottenere utilizzando un generatore di funzioni per l’onda sinusoidale e un oscilloscopio per la misura. L’oscilloscopio ci consente anche di controllare la forma d’onda in uscita dal dispositivo elettronico.
Proviamo ad effettuare la misura di impedenza di ingresso (ZIN) di un preamplificatore: per prima cosa andremo a procurarci un connettore RCA maschio dove sul polo caldo salderemo la resistenza da 10000 ohm e sulla resistenza uno spezzone di cavo. Un altro spezzone di cavo lo salderemo sulla massa del connettore RCA. Disponendo del generatore di segnale imposteremo un’onda sinusoidale a 1000 Hz con uscita tra 200 – 400 mv. Accendiamo il preamplificatore, ruotiamo il volume al massimo e inviamo il segnale audio del generatore all’ingresso linea. Effettuiamo le misure V1 e V2 col multimetro digitale impostato su VA (tensione alternata). A questo punto, conoscendo il valore del resistore R1 che abbiamo misurato in precedenza, possiamo calcolare il valore dell’impedenza di ingresso (Z) risolvendo la formula in figura 1.
Misura impedenza di ingresso
| F (Hz) | Volt a vuoto (V1) | Volt carico (V2) | Res. carico (ohm) | Impedenza (ohm) |
|---|---|---|---|---|
| 1000 | 1,805 | 1,705 | 10500 | 179,02 |
Per la misura dell’impedenza di uscita (ZOUT) utilizziamo sempre un connettore RCA dove andremo a saldare una resistenza, ad esempio, da 100 ohm sul pin centrale e un pezzo di filo sulla massa. Inseriamo il connettore RCA nell’uscita destra o sinistra del preamplificatore. Posizioniamo il cavo positivo del multimetro terminato con un morsetto a coccodrillo all’uscita del pin positivo del connettore RCA (prima della resistenza). Selezioniamo la lettura VA sul multimetro. Colleghiamo il cavetto di massa del multimetro alla massa del connettore RCA. Inviamo il solito segnale sinusoidale nell’ingresso linea del canale del preamplificatore sottoposto a misura. Regoliamo il livello in modo da avere in uscita circa 1 volt (lo leggiamo sul multimetro già collegato) e annotiamo la prima misura (V1). Cortocircuitiamo la resistenza di carico a massa e leggiamo la seconda lettura (V2). A questo punto sarà sufficiente risolvere la formula della figura 2 per avere il valore dell’impedenza (Z). Per il carico si può usare un resistore che va dai 50 ai 1000 ohm. Nella tabella che segue ho effettuato la misura di un mio preamplificatore utilizzando come carico un resistore da 47 ohm. Rilevando la misura su diverse frequenze ho ricavato il grafico 1.
Misura impedenza uscita
| F ( Hz) | Volt a vuoto (V1) | Volt con carico (V2) | Carico ohm (R) | Impedenza (ohm) |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 1,088 | 0,855 | 47 | 12,81 |
| 100 | 1,088 | 0,857 | 47 | 12,67 |
| 1000 | 1,083 | 0,851 | 47 | 12,81 |
| 10000 | 1,084 | 0,849 | 47 | 13,01 |
| 20000 | 1,073 | 0,835 | 47 | 13,40 |
| 30000 | 1,062 | 0,823 | 47 | 13,65 |
Impedenza
L’impedenza indica il valore dell’opposizione complessiva di un circuito alla corrente, in altre parole: quanto il circuito impedisce il flusso di carica. L’impedenza è’ simile alla resistenza, ma tiene conto dell’effetto della capacità e dell’induttanza. L’impedenza si misura in ohm. L’impedenza è più complessa della resistenza perché l’effetto della capacità e dell’induttanza variano con la frequenza della corrente che attraversa il circuito per cui possiamo dire che l’impedenza varia con la frequenza. La resistenza, invece, rimane costante indipendentemente dalla frequenza della corrente che attraversa il circuito.
Impedenza – Z
L’impedenza si divide in:
- Resistenza R (la parte che rimane costante indipendentemente dalla frequenza)
- Reattanza X (la parte che varia con la frequenza a causa della capacità e dell’induttanza)
La capacità e l’induttanza causano uno sfasamento tra corrente e tensione, il che dimostra che la resistenza e la reattanza non possono essere semplicemente sommate per dare il valore dell’impedenza ma devono essere aggiunti come vettori con la reattanza ad angolo retto rispetto alla resistenza ( fig.3). Quattro grandezze elettriche, quindi, determinano l’impedenza (Z) di un circuito: resistenza (R), capacità (C), induttanza (L) e frequenza (f).
Lo sfasamento si verifica quando la corrente e la tensione sono discordanti tra loro. Esempio nella carica di un condensatore: quando la tensione che attraversa il condensatore è zero, la corrente è al massimo; quando il condensatore si è caricato e la tensione è al massimo, la corrente è al minimo. La carica e la scarica si verificano continuamente con CA e la corrente raggiunge il suo massimo poco prima che la tensione raggiunga il suo massimo: quindi possiamo dire che la corrente porta la tensione.
Reattanza – X
La reattanza è la misura dell’opposizione di capacità e induttanza alla corrente. La reattanza varia con la frequenza del segnale elettrico. La reattanza si misura in ohm.
Esistono due tipi di reattanza: reattanza capacitiva (Xc) e reattanza induttiva (XL).
La reattanza totale è la differenza tra i due.
Reattanza capacitiva – La reattanza capacitiva è grande alle basse frequenze e piccola alle alte frequenze. Per CC costante con frequenza zero (f = 0Hz), Xc è infinita (opposizione totale), il che significa che i condensatori lasciano passare la CA ma bloccano CC. Ad esempio un condensatore da 1µF ha una reattanza di 7,96k per un segnale con frequenza di 20Hz, ma se la frequenza è di 10kHz la sua reattanza è 15,92 ohm per scendere a 7,96 ohm se la frequenza è di 20Khz.
Reattanza induttiva – La reattanza induttiva è piccola alle basse frequenze ed è grande alle alte frequenze. Per CC costante (frequenza zero), XL è zero (nessuna opposizione), il che significa che gli induttori lasciano passare la CC ma bloccano la CA ad alta frequenza .
Impedenza di ingresso
L’impedenza di ingresso (ZIN ) è l’impedenza “vista” da qualsiasi componente connesso all’ingresso di un circuito o dispositivo (come un amplificatore). È l’effetto combinato di tutte le resistenze, capacità e induttanze collegate all’ingresso dentro il circuito o dispositivo. Si usa il termine “impedenza di ingresso” anche per casi semplici in cui vi è solo resistenza e dove si potrebbe usare il termine “resistenza di ingresso”. In effetti è ragionevole supporre che l’impedenza di ingresso sia solo una resistenza, a condizione che il segnale di ingresso abbia una frequenza inferiore a 1kHz. L’effetto di capacità e induttanza variano con la frequenza, quindi, se sono presenti, l’impedenza di ingresso varierà con la frequenza. L’effetto della capacità e dell’induttanza è generalmente più significativo alle alte frequenze. L’impedenza di ingresso di un circuito dovrebbe essere almeno dieci volte maggiore dell’impedenza di uscita del circuito (o componente) che fornisce il segnale d’ingresso. Ciò garantisce che l’ingresso non “sovraccarichi” la sorgente del segnale e riduca l’intensità (tensione) del segnale in modo eccessivo.
Impedenza di uscita
L’uscita di qualsiasi circuito o dispositivo equivale a un’impedenza di uscita (ZOUT ) in serie ad una sorgente di tensione perfetta (VSOURCE ). Questo è chiamato circuito equivalente (fig.4) e rappresenta l’effetto combinato di tutte le sorgenti di tensione, resistenza, capacità e induttanza collegate all’uscita dentro il circuito o dispositivo. È normale usare il termine “impedenza di uscita” anche per casi semplici in cui esiste solo resistenza e si potrebbe usare, invece, il termine “resistenza di uscita”. In effetti è ragionevole supporre che l’impedenza di uscita sia analoga alla resistenza, a condizione che il segnale di uscita abbia una frequenza inferiore a 1kHz.
L’effetto di capacità e induttanza varia con la frequenza, quindi sé presente, l’impedenza di uscita varierà con la frequenza. Capacità e induttanza hanno influenza maggiore alle alte frequenze. L’impedenza di uscita dovrebbe essere bassa, meno di un decimo dell’impedenza di carico collegata all’uscita. Se l’impedenza di uscita è troppo elevata, non sarà in grado di fornire un segnale sufficientemente forte al carico poiché la maggior parte della tensione del segnale verrà “persa” all’interno del circuito pilotando la corrente attraverso l’impedenza di uscita ( ZOUT ). Il carico può essere un singolo componente o l’impedenza di ingresso di un altro circuito.
In conclusione per la corretta connessione delle apparecchiature elettroniche in relazione all’impedenza di ingresso (ZLOAD) e uscita (ZOUT) possiamo identificare tre condizioni:
- Condizione migliore – bassa impedenza di uscita – quando l’impedenza di uscita (ZOUT ) è minore dell’impedenza di carico (ZLOAD ). Questa condizione è migliore perché la maggior parte della tensione (V SOURCE) appare attraverso carico e pochissima tensione viene “persa” pilotando la corrente di uscita attraverso l’impedenza di uscita.
- Condizione limitata – impedenza abbinata – quanto l’impedenza di uscita ( ZOUT ) è uguale all’impedenza di carico ZLOAD . Questa condizione è alla pari in quanto metà della tensione sorgente (VSOURCE) appare attraverso il carico, l’altra metà viene “persa” pilotando la corrente di uscita attraverso l’impedenza di uscita. Questa disposizione è utile in alcune situazioni (come un amplificatore che pilota un altoparlante) perché fornisce la massima potenza al carico . Si noti che una pari quantità di energia viene sprecata pilotando la corrente di uscita attraverso ZOUT.
- Condizione insoddisfacente – alta impedenza di uscita – quando l’impedenza di uscita (ZOUT ) è maggiore dell’impedenza di carico (ZLOAD ). Questa condizione diventa insufficiente in quanto solo una piccola parte di tensione sorgente (VSOURCE ) appare attraverso il carico, la maggior parte viene “persa” pilotando la corrente di uscita attraverso l’impedenza di uscita.
