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Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
di [user #16055] - pubblicato il

Classe D non vuol dire digitale, e un amplificatore di questo genere rappresenta un concentrato di tecnologia, resa e compattezza tutto da approfondire: lo fa, entrando nel tecnico, il nostro lettore TidalRace.
Tra gli amplificatori di potenza che hanno riscosso molto successo negli ultimi dieci anni, la configurazione in classe-D è sicuramente quella più utilizzata.
Come abbiamo visto sul primo articolo della serie, la lettera ‘D’ non significa digitale, ma era quella immediatamente dopo la ‘C’, già utilizzata nei sistemi di potenza per alta frequenza e quindi non adatta ai segnali audio.
La classe-D si differenzia dalle altre configurazioni come la classe-A e la classe-AB, per non essere un sistema lineare, dove il segnale in tutte le sue fasi è una copia amplificata in tensione o in corrente. Per realizzare un finale di potenza in classe-D, occorre infatti convertire il segnale audio in un segnale PWM (Pulse Width Modulation) ovvero che sfrutta la modulazione della larghezza dell’impulso. Questo segnale viene poi ritrasformato nel segnale di partenza attraverso l’uso di almeno una coppia di transistor V-Mos e un filtro passa banda molto potente.
Spesso i produttori di amplificatori commerciali utilizzano finali realizzati da aziende specializzate, inserendole nei propri prodotti. Li possiamo trovare in commercio da potenze di pochi watt a svariate centinaia di watt, sono quindi utilizzati sugli amplificatori per chitarra acustica ed elettrica che funzionano anche a batterie, sugli amplificatori per basso, grazie alla loro alta potenza e su tutti quei dispositivi che abbisognano di un finale efficiente e performante, con un consumo ridotto di energia.
Il principio della classe-D si può trovare con varie modifiche, anche con le classi: ‘I’, ‘N’, ‘R’, ‘S’ e ‘T’, spesso proprietà di alcuni marchi che ne hanno modificato la base di funzionamento.

Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento

Dal datasheet del modello Hypex NC500MP del 2016, progettato in Olanda ma realizzato in Malesia e utilizzato sulla testata per basso bH Amps Drone D542H, della quale ho avuto il piacere di progettare la parte di preamplificazione, abbiamo questi dati principali:

Alimentazione compresa tra 100 e 240 Vac - Alimentatore switching con consumo in stand-by di 5W - Assorbimento massimo dalla rete 650W - Potenza massima al 1% di THD: 400W (2 ohm), 500W (4 ohm), 270W (8 ohm) - Frequenza switching: 80-120 kHz - Banda: 20-35.000 hz, 10-50.000 Hz (-3dB) - Impedenza d’uscita: 2,6-3,0 Mohm - Efficienza totale del sistema compresa fra il 74% e il 90% - dimensioni 146x105x42 mm.

In pratica questo ci dice che possiamo utilizzare la testata in qualsiasi parte del mondo, dato che si adatterà automaticamente alla tensione della rete, che l’alimentazione è di tipo switching, ovvero non utilizza ingombranti e pesanti trasformatori con un consumo in “pausa” veramente irrisorio, che l’assorbimento dalla rete è al massimo di 650W a piena potenza - anche se dalle mie prove con due resistenze da 500W utilizzate come carico, non mi è mai andata sopra i 600W - che la potenza massima di 500W viene raggiunta a 4 ohm, ma che potrebbe pilotare carichi anche di 2 ohm.
bH Amps consiglia comunque di non scendere sotto i 2,7 ohm, cioè tre altoparlanti da 8 ohm ciascuno cablati in parallelo. Inoltre riporta la frequenza a cui lavora lo switching, la larghezza della banda utile e la sua risposta in frequenza, l’impedenza d’uscita del finale, l’efficienza totale che tiene conto sia dell’efficienza dell’alimentazione, sia di quella relativa al finale di potenza e la compattezza della sua realizzazione. Questo finale è anche tra i pochi a non necessitare di una ventola di raffreddamento, che potrebbe essere leggermente rumorosa.

Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
Lo schema di principio

Questo mio disegno è uno schema di principio del funzionamento di un finale di potenza in classe-D. Il comparatore X1 ha nell’ingresso chiamato “ch1” il suono che vogliamo amplificare, mentre nell’ingresso “ch2” il segnale di un oscillatore triangolare a frequenza ultrasonica, in questo caso 100 kHz, ma che potrebbe arrivare anche a 600 kHz.
La scelta d’utilizzare una frequenza di 100 Khz permette un maggior rendimento a discapito della pulizia del suono dalle armoniche non volute, comunque non udibili.
Il comparatore X1 confronta, istante per istante, i due segnali e pone l’uscita al valore di VC quando il segnale d’ingresso è superiore alla tensione dell’oscillatore, mentre lo pone al valore di VE quando lo stesso ingresso è inferiore alla tensione dell’oscillatore, creando un segnale 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.
Anche se il segnale in uscita sembra un segnale digitale, in realtà non lo è, 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 del comparatore. Il segnale ora modificato viene poi inviato a due V-Mos complementari, siglati M1 e M2, 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. L’uscita “Out2” è molto simile all’uscita “Out1” ma il segnale è amplificato sia in tensione, sia in corrente. Un filtro passa-basso passivo, composto da induttanze e capacità, riduce la frequenza di 100 kHz al minimo senza intaccare il contenuto del segnale.

Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
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.

Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
In alto, test a 28 Vp

Il segnale in uscita su Out1 è il nostro segnale modulato in larghezza, a frequenza e ampiezza fissi.
Si può notare che all’inizio le larghezze 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).

Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
In alto, test a ingresso nullo

Quando il segnale è nullo all’ingresso, l’uscita del comparatore è un’onda quadra perfetta, sempre avente la stessa frequenza dell’oscillatore e con i due fronti, positivo e negativo, di pari larghezza.
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, le larghezze dei due fronti varieranno in accordo al segnale entrante.

Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
In alto, test a 28 Vp

Dopo i due V-Mos il segnale è leggermente diverso, 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. Questo segnale non è ancora idoneo a essere ascoltato, ma a questo ci penserà il potente filtro passivo posto a valle.

Finale in classe-D Hypex NC500MP del 2016 e principio di funzionamento
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 600 watt e il segnale è ritornato nella sua forma originale. La distorsione THD vale il 3,1 % e la sua armonica più presente è la seconda, corrispondente a 2.000 hz che incide per il 2,5 % del totale.

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 62 dB. Questi dati naturalmente sono validi solo per questa simulazione: il finale Hypex adotta degli accorgimenti per impedire questa distorsione in frequenza.

Per la potenza calcolata siamo a valori di oltre 1.100 watt a 2 ohm, oltre 600 watt a 4 ohm e oltre 300 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 Hypex, non lo sono con la potenza a due ohm molto probabilmente per questo motivo.

Naturalmente, essendo uno schema di principio, il finale è molto grezzo in quanto la sua distorsione non è mai sufficientemente bassa, come lo è nel modello Hypex. Tuttavia spero sia chiara la concezione di tale sistema analogico non lineare, ma che ha permesso grandi passi in avanti per la realizzazione di finali di potenza compatti e performanti.
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