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Classe-I: un doppio classe-D?
Classe-I: un doppio classe-D?
di [user #16055] - pubblicato il

I finali in Classe I promettono potenza elevata e distorsione ridotta grazie a un attento lavoro sulle frequenze. Lo analizza un nostro lettore per un ultimo approfondimento tecnico sulle architetture dei finali di potenza.
Con questo mio ultimo articolo si chiude la serie dedicata alle classi di potenza degli amplificatori. Abbiamo seguito l'ordine alfabetico che in linea di massima segue anche l'ordine cronologico, con qualche eccezione. Abbiamo visto che le classi A, AB, B ma anche le classi G e H lavorano in modo lineare, ovvero in tutte le fasi il segnale è una copia amplificata in corrente e/o in tensione del segnale in ingresso. La classe-D come la classe-I, oggetto di quest'ultimo articolo, funzionano invece in maniera diversa. Come già scritto, il segnale non è mai digitale, in quanto i bit e i byte che caratterizzano un segnale digitale non contengono alcuna potenza, ma sono solo un codice binario che può essere elaborato per modificare un segnale analogico e che come tale deve ritornare prima di essere amplificato in potenza per essere udibile sugli speaker.

La circuitazione in classe-I è una variante della classe-D di proprietà della Crown Audio, chiamata anche BCA (amplificatore di corrente bilanciato), dove due coppie di transistor complementari sono gestite a ponte con due segnali rovesciati di fase, invece di una singola coppia della classe-D. L’uscita dei due segnali di commutazione sono interconnessi, da cui classe-I. Questo schema circuitale, se utilizza gli stessi elementi attivi, ne raddoppia in pratica la potenza in uscita. Per ottenere questo si sfrutta il sistema BTL (Bridge-Tied-Load) usato con tutte le classi di amplificazione audio che, a parità di tensione d’alimentazione, permette una potenza in uscita doppia su una resistenza di carico anch’essa di valore doppio. Quindi anche la classe-I è una configurazione analogica non lineare, che sfrutta la modulazione della larghezza dell’impulso PWM (Pulse Width Modulation). Questo segnale viene poi ritrasformato nel segnale di partenza, attraverso l’uso di almeno due coppie di transistor V-Mos e due filtri passa banda molto potenti.

Crown afferma che il suo sistema brevettato offre maggiore potenza con meno spreco di energia rispetto ad altri sistemi, fornisce quindi un rendimento maggiore, con meno stress dei componenti per il minore calore prodotto. L’impedenza degli speaker è gestita meglio recuperando l’energia inviata indietro dagli stessi, che non viene dissipata in calore specialmente per le basse impedenze. Questo significa maggiore affidabilità e vita più lunga dei componenti. Crown fa anche riferimento alla frequenza di lavoro dell’oscillatore, che non serve sia eccessivamente elevata: la classe-D avrebbe bisogno di una frequenza doppia per avere la stessa precisione della classe-I, con indubbi vantaggi riguardo all’efficienza del sistema.

Il marchio Crown nasce come International Radio and Electronics Corporation nel 1947 e si occupa inizialmente di registratori a nastro valvolari, nel 1959 nascono i primi due amplificatori valvolari, il modello A15 e il modello A30, nel 1964 è la volta del primo amplificatore a stato solido chiamato SA 20-20, alto appena 45 mm, mentre nel 1967 esce il DC-300, un amplificatore a stato solido da 150 watt per canale, con livelli di rumore e distorsione bassissimi, giudicato nel 1969 dalla rivista High Fidelity come il miglior amplificatore al mondo. Dopo vari brevetti, un grandissimo incendio distrugge quasi completamente nel 1971 l’impianto produttivo, che viene riscostruito completamente l’anno seguente. Nel 1972 un nuovo brevetto viene applicato sui modelli M600 e M2000, il secondo con ben 2.000 watt su 8 ohm. Nel 1975 il nome cambia in Crown International e nel 1979 è la volta del modello SA2, il primo amplificatore al mondo a utilizzare un computer dedicato per gestire le massime prestazioni. Sempre nel biennio 1979-1980 ha inizio la produzione di sintonizzatori digitali e microfoni e nel 1987 debutta l’amplificatore MA10000 che fornisce 10.000 watt di potenza. La sua prima applicazione: fornire potenza a 465 altoparlanti all'Indianapolis 500 Motor Speedway. Attualmente il marchio si chiama Crown Audio by Harman.

Classe-I: un doppio classe-D?
Crown K2

Il finale di potenza Crown K2 dei primi anni del nuovo millennio, utilizza il sistema BCA ed eroga 2x500 watt su 8 ohm, 2x800 watt su 4 ohm e 2x1.250 watt su 2 ohm, mentre con il collegamento mono a ponte 1.600 watt su 8 ohm e ben 2.500 watt su 4 ohm. Molto simile esteticamente era il modello Crown K1 con una potenza massima di 1.500 watt su 4 ohm nel collegamento mono a ponte.

Classe-I: un doppio classe-D?
Schema di principio della classe-I

Questo mio disegno è uno schema di principio del funzionamento di un finale di potenza in classe-I.
I due comparatori X1 e X2 hanno negli ingressi chiamati “ch1” il suono che vogliamo amplificare, mentre negli ingressi “ch2” il segnale di un oscillatore triangolare a frequenza ultrasonica, di circa 100 kHz. La possibilità d’utilizzare una frequenza di 100 kHz, invece di 200 kHz della classe-D, permette un maggior rendimento. Questa frequenza l’ho scelta per fare un confronto diretto con la simulazione della classe-D vista sull'altro articolo, ma Crown dovrebbe usare un’oscillazione a 250 kHz.
I comparatori confrontano - istante per istante - i due segnali e pongono le loro uscite al valore di VC per X1 e VE per X2 quando il segnale d’ingresso è superiore alla tensione dell’oscillatore, mentre lo pone al valore di VE o VC quando lo stesso ingresso è inferiore alla tensione dell’oscillatore, creando due segnali in uscita a una frequenza d’ampiezza fissa e pari alla frequenza dell’oscillatore, ma con i due fronti, positivo e negativo, di durata diversa in base al segnale in ingresso e con polarità opposta. Anche se i segnali in uscita sembrano digitali, in realtà non lo sono in quanto non esiste una CPU, una memoria e un clock a leggerne i valori e a digitalizzarli, ma questa funzione viene svolta con continuità da parte dei due comparatori. I segnali ora modificati vengono inviati a due coppie di V-Mos complementari siglati M1-M2 per la prima coppia e M3-M4 per la seconda, che fungono da interruttori a seconda se il segnale è “alto” o “basso” si attiva uno o l’altro portando l’uscita “Out2” alta o bassa, mentre l’uscita “Out4” bassa o alta. L’uscita “Out2” è molto simile all’uscita “Out1”, di conseguenza anche la “Out4” è molto simile a “Out3”, ma il segnale è amplificato sia in tensione, sia in corrente e ancora con le polarità opposte. Due filtri passa-basso passivi, composti da induttanze e capacità, riducono le frequenze di 100 kHz al minimo senza intaccare il contenuto dei segnali che si sommano e diventano un unico segnale d’ampiezza doppia.

Classe-I: un doppio classe-D?
In alto, test a 28 Vp

Dal disegno possiamo vedere il nostro segnale in ingresso rappresentato dall’onda nera che ha frequenza di 1 kHz e ampiezza di picco pari a 28 V, mentre con le righe rosse è rappresentata la frequenza dell’oscillatore pari a 100 kHz, di forma triangolare isoscele e della stessa ampiezza che rimane comunque fissa durante il funzionamento. Quando le due ampiezze sono uguali abbiamo raggiunto la massima potenza in uscita. Il segnale in uscita su Out1 è uno dei nostri segnali modulati in larghezza, a frequenza e ampiezza fissi. Si può notare che all’inizio la larghezza dei due fronti sono paragonabili in quanto il segnale d’ingresso è vicino allo zero, poi si allarga il fronte positivo e di conseguenza si restringe il negativo, fino ad avere solo il fronte positivo, in corrispondenza della massima ampiezza positiva dell’ingresso, dove è presente anche una zona “bianca” (fronte negativo nullo). Passato il picco positivo, ritorna il fronte negativo e si riduce il positivo fino ad arrivare al solo fronte negativo, in corrispondenza della massima ampiezza negativa dell’ingresso, dove è presente anche un’altra zona “bianca” (fronte positivo nullo). Le stesse considerazioni si possono fare per l’uscita Out2 dove però la fase è rovesciata.

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In alto, test a 0 Vp

Quando il segnale è nullo all'ingresso, le uscite dei comparatori sono due onde quadre perfette, sempre aventi la stessa frequenza dell’oscillatore e con i due fronti, positivo e negativo, di pari larghezza e fase opposta. In questo caso la potenza in uscita deve essere nulla, perché siamo nella condizione d’assenza di segnale in ingresso. Quando il segnale in ingresso si presenta quindi, con un valore compreso fra il minimo (0V) e il massimo (28V) come nell’esempio precedente, la larghezza dei due fronti varieranno in accordo al segnale entrante.

Classe-I: un doppio classe-D?
In alto, test a 28 Vp

Dopo le due coppie di V-Mos i segnali sono leggermente diversi, causa le distorsioni introdotte da questa simulazione, ma la cosa importante è che è aumentata enormemente l’ampiezza, ora di oltre 76 Volt di picco e soprattutto la corrente, in modo da pilotare direttamente un altoparlante. Come si può vedere le fasi dei due segnali sono ancora rovesciate e non sono ancora idonei a essere ascoltati, ma a questo ci penseranno i due potenti filtri passivi posti a valle.

Classe-I: un doppio classe-D?
In alto, test a 28 Vp

Il segnale sull’altoparlante è al suo massimo, inizia infatti un accenno di distorsione visibile nei due picchi, ma la potenza calcolata dal simulatore è di oltre 1.200 watt e il segnale è ritornato nella sua forma originale. La distorsione THD che vale lo 0,81% è minore rispetto alla classe-D da cui deriva e la sua armonica più presente è in questo caso la nona, corrispondente a 9.000 Hz, dove si trova un picco di risonanza del filtro passivo.

Per quanto riguarda la sua risposta in frequenza è molto piatta ma “soffre” della dipendenza dal carico in quanto non controreazionata. Si verifica infatti che, al variare del carico, la risposta nelle alte frequenze sia più accentuata con gli speaker da 8 ohm e molto meno con quelli da 2 ohm con una differenza di oltre 9 dB a 10 kHz. È un po’ quello che succede anche nei valvolari senza controreazione, la quale livella la risposta e ne abbassa la distorsione, per migliorarne le caratteristiche. In questo caso la risposta a 20 Hz è inferiore di appena 0,4 dB rispetto alla frequenza centrale di 1 kHz, mentre la frequenza di 10 kHz è amplificata di circa 4 dB. La frequenza dell’oscillatore, regolato a 100 kHz, è inferiore di oltre 55 dB. Questi dati naturalmente sono validi solo per questa simulazione, il finale Crown adotta degli accorgimenti per impedire questa distorsione in frequenza.
Per la potenza calcolata siamo a valori di oltre 3.500 watt a 2 ohm, oltre 2.200 watt a 4 ohm e oltre 1.200 watt a 8 ohm. Questo dipende sia dalla tensione scelta e quindi dai V-Mos utilizzati, sia dalla capacità dell’alimentazione di erogare correnti di picco tanto elevate. Se quindi a quattro e a otto ohm le potenze sono paragonabili con i dati forniti da Crown, la configurazione a 2 ohm permetterebbe una potenza ancora più elevata.

Naturalmente essendo uno schema di principio, il finale è molto grezzo, in quanto la sua distorsione non è mai sufficientemente bassa, come lo è il modello Crown, tuttavia spero sia chiara la concezione di tale sistema analogico non lineare, ma che promette prestazioni superiori a un classe-D.
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Link utili
Le classi di un finale di potenza
Finale in classe D
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