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Vecchie e nuove classi di funzionamento di un finale di potenza
Vecchie e nuove classi di funzionamento di un finale di potenza
di [user #16055] - pubblicato il

L'amplificazione in ambito musicale è un mondo estremamente variegato, per stile, resa e tecnologie. Il nostro lettore TidalRace scende in dettaglio nel funzionamento delle classi di configurazione di un finale, dalla valvola al solid state fino al digitale.
Diversi anni fa scrissi una serie d’articoli sulle classi di funzionamento degli amplificatori di potenza a uso musicale, soffermandomi a lungo sulla classe-A “single-ended” che utilizza un solo elemento attivo, valvola o transistor. Sono stati fatti esempi con valvole di tipo pentodo EL84 e tetrodo a fascio di tipo 6L6GC, configurate sia in modo standard, sia in modo triodo e analizzate le risposte con un simulatore di circuiti. Le valutazioni di questi circuiti riguardavano la potenza erogata, la distorsione armonica, le forme d’onda in saturazione e la risposta in frequenza. Si era visto come una circuitazione in auto-bias o in fixed-bias potesse cambiarne il rendimento e la risposta complessiva, insieme a una serie di accorgimenti per migliorarne o alterarne le caratteristiche. Alcuni post sulla sezione People furono scritti per arricchirne le informazioni.

Questi articoli furono quattro scritti tra il 2010 e il 2012:
- Distorsione nei finali valvolari
- Un'americana di potenza
Ritorno all'americana di potenza
Dove troviamo il bias e la classe-A?

Attualmente le classi utilizzate per un finale di potenza sono principalmente queste.

Classe-A “Single-ended”
Un solo elemento che può essere un triodo, un tetrodo, un pentodo, un transistor BJT o un MosFet come elemento attivo, adattato sempre con un trasformatore per l’accoppiamento con l’altoparlante, che porta il rendimento a un massimo teorico del 50%, ovvero eroga una potenza utile sul tubo pari alla metà di quella assorbita dall’anodo delle valvole, funzionante ad alta tensione. Se si considera anche la potenza assorbita dal filamento della valvola, tale rendimento scende di molto. In un amplificatore molto noto da 5 watt che utilizza una ECC83 e una EL84, ho misurato una potenza assorbita dalla rete elettrica pari a 35-40 watt. Questa misurazione tiene però conto anche dell’assorbimento della ECC83, delle resistenze di polarizzazione e del rendimento dei due trasformatori. Essendo l’assorbimento costante a qualsiasi livello d’uscita, il rendimento è nullo quando l’amplificatore non emette potenza e massimo alla massima potenza. Inoltre la potenza massima di un amplificatore è misurata normalmente a un preciso livello di distorsione armonica totale THD, pari al 10% per la classe-A, spesso composto dalla seconda e terza armonica. Se si utilizzano transistor invece delle valvole, si potrebbe evitare l’uso di un trasformatore d’uscita, ma il rendimento massimo teorico sul carico (speaker) scenderebbe al 25%, mentre un altro 25% sarebbe dissipato dalla resistenza di polarizzazione, necessaria al funzionamento a riposo. Come abbiamo visto il rendimento è piuttosto basso e quindi si utilizza questa scelta per finali di piccola potenza, massimo 10 watt, in modo da non disperdere troppa energia in calore.

Vecchie e nuove classi di funzionamento di un finale di potenza

Classe-A1 “Push-Pull”
Questa classe è un disegno circuitale che sfrutta un minimo di due valvole identiche e accoppiate, fatte lavorare in una zona delle loro caratteristiche dove possono amplificare entrambe tutto il segnale, proprio come la precedente, ma con la fase rovesciata una dall’altra. Così quando la prima raggiunge la massima ampiezza positiva del segnale, la seconda raggiunge la massima ampiezza con segno negativo dello stesso, che poi vengono sommate in fase dal trasformatore d’uscita raddoppiandone il valore. Questo raddoppio di segnale in uscita comporta una potenza teorica quattro volte superiore rispetto all’uso di un solo tubo, a fronte di un consumo doppio di corrente. Il rendimento è quindi molto più alto, ma una buona parte di potenza se ne va in calore prodotto a riposo. In genere viene utilizzato questa schema per potenze comprese fra i 10 e i 30 watt.
Famosi sono i circuiti composti da due EL84 che possono erogare circa 15-18 watt o da quattro EL84 con cui si ottengono 30 watt. Per pilotare la coppia o il quartetto di valvole è necessario l’uso di un triodo di segnale, per la configurazione detta “a coda corta” o di due triodi della stessa valvola di segnale, per la configurazione detta “a coda lunga” a seconda dei livelli di tensione richiesti in ingresso. La presenza della valvola pilota ne aumenta o ne diminuisce la distorsione d’armoniche pari generate in uscita. Un tempo al posto della valvola pilota era possibile trovare un piccolo trasformatore invertitore di fase. Questa classe si può realizzare anche con transistor BJT o Mosfet, ma in pratica questa soluzione è appannaggio quasi esclusivo di circuiti valvolari.
È in genere misurata la massima potenza per un valore di THD pari al 5%.

Classe-B “Push-Pull”
Per aumentare il rendimento finale e per dissipare meno potenza a riposo, fu inventata la classe-B. Questa fa uso di uno schema molto simile alla classe-A1, ma la polarizzazione dei tubi e quindi il loro bias deve essere in una zona d’interdizione della valvola, dove in pratica non vi è passaggio di corrente in condizioni statiche. In questo modo i due tubi non dissipano potenza e quindi calore in assenza di segnale in ingresso. In presenza dello stesso, una delle due valvole viene polarizzata e quindi inizia a condurre, per la semi-onda positiva del segnale mentre l’altra per quella negativa. Il compito del trasformatore d’uscita è quindi sia quello di adattamento d’impedenza, sia quello di ricreare il segnale completo ricomponendo le due semi-onde. In pratica l’assorbimento di potenza, esclusa quella destinata come sempre all’alimentazione dei filamenti, è proporzionale al livello d’uscita e presenta un rendimento massimo teorico del 78,5% con un minimo del 50%. Purtroppo non è possibile utilizzare questa configurazione, in quanto soffre di un problema chiamato “distorsione d’incrocio”, molto fastidioso all’ascolto. Tale fenomeno è più evidente se si utilizzano transistor BJT come il conosciuto 2N3055, ma presente anche con i tubi e riguarda il passaggio della conduzione da un elemento all’altro, dove occorre superare un “gradino” per entrare nella conduzione piena. Questo difetto è tanto peggiore per i segnali più piccoli, dove ci si aspetterebbe il segnale più pulito rispetto alla piena potenza. Un altro problema riguarda la deriva termica degli elementi attivi e quindi lo spostamento del punto di funzionamento con il variare della temperatura, che potrebbe portare il circuito a lavorare in classe-AB, dove la conduzione del singolo elemento riguarda un valore superiore alla singola semi-onda o peggio in classe-C, che saranno viste in seguito, dove viene amplificata una porzione inferiore della semi-onda, non ricreando quindi tutto il segnale in uscita.
Anche in questo la massima potenza è misurata per un valore di THD pari al 5%.

Classe-AB “Push-Pull”
Per superare il problema della “distorsione d’incrocio”, viene adottata una polarizzazione che abbina i vantaggi della classe-A a quelli della classe-B. In pratica regolando la corrente assorbita dagli elementi attivi, ovvero il bias, su un valore ancora piuttosto basso, ma non nullo, si riesce a far dissipare poca potenza a riposo, superando il problema della distorsione. Ogni elemento attivo, valvole o transistor, amplificano quindi più di una semi-onda e meno dell’onda intera. Nel momento in cui entrambi i componenti amplificano il segnale, le due uscite sommate annullano ogni forma di distorsione, essendo uguali ma con fase rovesciata. La polarizzazione avviene in una zona molto più vicina alla classe-B, rispetto alla classe-A in quanto occorre non fare dissipare molta potenza a riposo, ma nessuno vieta, se possibile, di tarare il circuito più vicino alla classe-A. Per piccoli segnali le due zone di sovrapposizione della conduzione negli elementi attivi, comporta un funzionamento in pura classe-A, che su uno schema a transistor potrebbe essere di pochi milliwatt d’uscita, un po’ di più in uno schema valvolare, in quanto occorre spostarsi maggiormente in un funzionamento in classe-A, dovuta alla minore linearità dei tubi. È quindi un fenomeno trascurabile.
La classe-AB si suddivide a sua volta in due sottoclassi: la classe-AB1 e la classe-AB2, valide solo nei circuiti valvolari. Esse utilizzano lo stesso circuito di base, ma la differenza risiede nella gestione della griglia di controllo, dove viene applicato il segnale di ingresso.
Per polarizzare correttamente una valvola finale in classe-AB1, viene applicata una tensione negativa alla griglia di controllo, che durante il funzionamento salirà dal suo valore nominale allo “0” volt, portando la valvola in saturazione o scenderà al doppio del suo valore, portandola in interdizione.
Nella classe-AB2 occorre sempre applicare una tensione negativa alla griglia di controllo, rispetto al catodo che di norma è a massa, ma il suo valore può salire nel funzionamento a valori leggermente positivi e scendere di conseguenza, andando a far lavorare il tubo in una zona più estrema delle sue caratteristiche.
La classe-AB1 e quindi più adatta alle potenze minori, mentre la classe-AB2 alle maggiori, la quale richiede anche una valvola di pilotaggio di maggiore potenza, in quanto con la griglia positiva rispetto al catodo vi è un certo assorbimento di corrente. Quasi tutti gli amplificatori valvolari da 20 watt in su utilizzano questa circuitazione con una coppia, un quartetto, un sestetto o più di valvole uguali e accoppiate. È utilizzata in pratica sempre da tutti i finali di potenza a transistor e negli operazionali per piccoli segnali e su quelli di potenza.
Ancora una volta il rendimento è compreso fra il 50% e il 78,5% teorico e la sua massima erogazione viene misurata per un valore di THD pari al 5%.

Vecchie e nuove classi di funzionamento di un finale di potenza

Classe-C, classe-E, classe-F
Un breve accenno a queste tre classi utilizzate in alta frequenza e quindi non adatte ad amplificare segnali audio. La più antica, chiamata classe-C, utilizza un elemento attivo - solitamente una valvola collegata a un circuito risonante - che amplifica una porzione di una semi-onda del circuito oscillatore.
Presenta un forte tasso di distorsione del tono puro sinusoidale che per l’uso è irrilevante, ma con un rendimento teorico che potrebbe arrivare al 100%, anche se i valori reali sono compresi fra il 70% e il 90%.

La classe-E fu inventata nel 1975 e utilizza un Mosfet che lavora come interruttore, o è aperto o è chiuso, e quindi non dissipa potenza, in quanto o la corrente è nulla oppure lo è la tensione. Una rete di induttori e capacitori fa lavorare il componente attivo alla frequenza di risonanza voluta.
Anche qui l’efficienza teorica è del 100%, mentre quella reale è compresa fra l’80% e il 96%.

La classe-F è molto simile alla classe-C, ma utilizza un transistor generatore di corrente, mentre il carico è rappresentato da più circuiti risonanti accordati non solo sulla fondamentale, ma anche sulle sue armoniche.
Ancora una volta l’efficienza teorica è del 100%, mentre quella reale è compresa fra l’80% e il 88,4%.

Classe-D, classe-S
Il primo esempio di classe-D si può far risalire al lontano 1954, adottato per un servosistema di un motore elettrico, mentre nel 1964 ci fu il primo tentativo d’utilizzo per amplificare un segnale audio, fallito a causa della lentezza dei mosfet di allora, inventati tra il 1959 e il 1962 e non ancora adatti all’uso. Nel 1967 cominciarono però una serie di brevetti riguardanti la classe-D e una delle prime realizzazioni commerciali fu un modello da 10 watt della britannica Sinclair, quella degli home computer ZX80, ZX81 e Spectrum.
Questo sistema, diversamente dalle classi adatte all’audio viste finora, non amplifica il segnale in modo lineare, ma si utilizza la modulazione di larghezza di impulso (PWM, pulse width modulation). In pratica, il segnale d’ingresso passa attraverso un comparatore che lo confronta con un segnale triangolare d’ampiezza e frequenza molto più elevate. Il segnale in uscita comanda un paio di commutatori mosfet di potenza e alta velocità, che porta l’uscita a livello alto o basso. Il segnale risultante è una specie d’onda quadra, della frequenza dell’onda triangolare, con fronte positivo di durata diversa da quello negativo. In particolare, maggiore è la larghezza dell’impulso positivo e maggiore è l’ampiezza della semi-onda positiva, viceversa maggiore è la larghezza dell’impulso negativo e maggiore è l’ampiezza della semi-onda negativa. Quando il fronte positivo vale il 50%, come pure il negativo, si ha una perfetta onda quadra e la potenza in uscita è nulla. Un filtro passivo molto potente posto a valle di questo segnale lo ripulisce da tutte le armoniche non presenti all’ingresso, riportandolo allo stato iniziale, ma amplificato in tensione e in corrente. Dalla bontà del circuito oscillatore, del comparatore e dalla velocità dei mosfet, oltre alla capacità di filtraggio finale, otteniamo un segnale identico o quasi a quello in ingresso, che non era raggiunto sui primi modelli, ma che è molto preciso in quasi tutti i modelli attuali.
Un problema di cui potrebbe soffrire un amplificatore in classe-D, è il fattore di smorzamento più basso di altri sistemi non valvolari, cioè la capacità di frenare un altoparlante, quando non più sollecitato da nessun segnale di bassa frequenza, a causa del filtro interposto tra i mosfet di potenza e il carico, ovvero lo stesso altoparlante. Un’altra possibile causa è la distorsione in frequenza, ovvero di banda passante non completamente lineare all’estremità superiore, dovuta alle varie impedenze del carico, proprio come accade anche su un finale valvolare.
La frequenza di lavoro dell’oscillatore può variare dai 100 khz a 600 khz, il progettista adotterà un valore minore per una maggiore efficienza, a discapito della distorsione armonica, o una di maggiore valore per ripulire meglio il segnale dalle frequenze indesiderate, rinunciando a un po’ di efficienza.
Occorre precisare che la classe-D, come l’equivalente classe-S, non lavora su segnali digitali anche se l’uscita sembra esserlo, ma è un puro segnale analogico, in quanto non vi è un clock, una memoria o una CPU per elaborare il suono, ma istante per istante è confrontato con il riferimento dell’oscillatore e non campionato. Il suffisso ‘D’ non indica che il circuito sia digitale, ma era la lettera immediatamente dopo la ‘C’ che era stata inventata cronologicamente prima.
Il rendimento teorico del circuito è ancora una volta del 100%, ma a causa dell’utilizzo di componenti logicamente non ideali, il valore reale è compreso fra il 90% e il 98%. Attualmente si trovano amplificatori in classe-D da pochi watt fino a diverse centinaia di watt.

Vecchie e nuove classi di funzionamento di un finale di potenza

Classe-G
La classe-G è molto simile alla classe-AB, ma è stato migliorato il rendimento adottando uno schema a doppia alimentazione. Generalmente si utilizzano transistor BJT e Mosfet, alimentati a una tensione più bassa, finché il segnale in uscita non supera una certa soglia preimpostata. Quando il segnale si avvicina al superamento di detta soglia, l’alimentazione commuta a un valore superiore, dove viene dissipata ed erogata maggiore potenza. In questo modo non viene sprecata e quindi dissipata potenza, sotto forma di calore, per i segnali minori, sia nell’utilizzo a basso volume, sia nei passaggi più delicati di un brano, sia nelle pause, riservando la piena potenza solo per i picchi del segnale. In commercio si trovano amplificatori anche con più di due livelli di alimentazione diversi, in modo da aumentarne ancora il rendimento, quindi con un circuito di controllo e di alimentazione più complesso.
Il rendimento massimo teorico è in questo caso del 85,9% e quindi maggiore del 78,5% della classe-AB, ma nell’utilizzo reale la differenza è di gran lunga migliore, specie a bassa potenza. Potrebbe in teoria essere realizzato anche con l’utilizzo delle valvole, ma un punto di funzionamento diverso implicherebbe un diverso rapporto di conversione del trasformatore, il quale complicherebbe il circuito.
Questo disegno circuitale è stato criticato perché potrebbe portare rumori di commutazione, nel passaggio da una tensione all’altra, che comunque non sembrano verificarsi quando si ascolta la musica riprodotta.

Classe-H
È l’evoluzione della classe-G, dove l’alimentazione non è più commutata su vari livelli preimpostati, ma varia con continuità partendo da un valore base. Nei primi modelli tuttavia la classe-G aveva solo due valori di tensione, mentre la classe-H almeno tre, in seguito venne adottata l’attuale configurazione. Questo può causare sigle non corrette, in quanto la vecchia classe-H è equivalente alla classe-G attuale. Il rendimento superiore di questa classe è valutato tra il 85,9% e il 99,9%.

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. Questo schema circuitale, se utilizza gli stessi elementi attivi, ne raddoppia in pratica la potenza in uscita.

Classe-T
Anche questa variante utilizza uno schema in classe-D, senza un comparatore e con una frequenza di commutazione variabile con la potenza del segnale, tra un minimo di 200 khz e un massimo di 600 khz. A riposo la frequenza di oscillazione raggiungerebbe però i 1.400 Khz.
Il sistema promette una distorsione minore rispetto alla classe da cui deriva, ma non esiste una chiara documentazione che lo attesti.

Classe-Z
Nonostante le tante lettere “saltate” per i nomi delle varie classi, questa sembra voler dire di essere l’ultima e anche la migliore. È un marchio registrato da Zetex Company e fa uso di un amplificatore digitale con un circuito di controreazione digitale. Non si hanno molte notizie sul principio di funzionamento, ma sembra migliore della classe-T.

BTL
Un sistema efficace per raddoppiare la potenza di un finale senza aumentarne la tensione d’alimentazione è quella di fare uso di un collegamento a ponte di due finali identici, con un sistema chiamato BTL, ovvero bridge-tied-load. Qui, mentre un finale si occupa della semi-onda positiva, l’altro si occupa della negativa e viceversa, le quali sommate insieme raddoppiano di valore sull’altoparlante collegato rispetto al singolo finale.
Essendo necessario anche un raddoppio dell’impedenza del carico, la potenza è "solo" raddoppiata, nonostante il valore doppio della tensione farebbe pensare a una potenza quadruplicata. Ricordo infatti che la potenza può essere calcolata con le formule:

Pot = Vrms*Vrms / Rload = Vpeak*Vpeak / Rload*2 = Vpkpk*Vpkpk / Rload*8

dove:
Pot è la nostra potenza utile sull’altoparlante espressa in watt
Vrms è la tensione efficace o rms espressa in volt
Vpeak è la tensione di picco che equivale alla Vrms moltiplicato per la radice di 2 espressa in volt
Vpkpk è la tensione picco-picco che equivale alla Vpeak per 2 espressa in volt
Rload è l’impedenza nominale del carico ovvero l’altoparlante espressa in ohm

Non viene quindi aumentata l’efficienza del sistema ma è possibile utilizzare questa circuitazione con tutte le classi dedicate all’audio. La classe-I per esempio può essere vista come due classi-D collegate insieme. Occorre tenere presente che nel collegamento a ponte non vi è più un terminale dell’altoparlante collegato a massa, ma potrebbero essere entrambi collegati a una tensione pari a quella dell’alimentazione. Non vi sarebbe passaggio di corrente a riposo ma, essendo a un potenziale diverso dallo ‘0’, è meglio non toccarla a mani nude e non farla assolutamente toccare a una superficie metallica collegata a massa o una altra parte del circuito.

Un simile sistema viene sempre utilizzato negli amplificatori di sistemi audio per auto, in molte testate per basso professionali stereo, per il collegamento mono, ed è molto simile al funzionamento del push-pull in classe-A, classe-AB e classe-B.
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