Vorrei precisare che quanto di seguito scritto è una bozza incompleta di circa 5 anni fa con riferimenti mancanti e schemi spesso carenti nella grafica e nei valori, lo propongo così com'è confidando nella vostra comprensione.
Considerazioni e presupposti per il progetto di un amplificatore Hi-End
Premessa.
Quanto in seguito esposto si riferisce esclusivamente a sistemi zero feedback in classe A che considero gli unici in linea con le aspettative di questo settore, ma ritengo i suggerimenti validi per qualunque tipo di amplificatore audio.
Anni di sperimentazione sempre seguita da relativo ascolto testimoniano la parziale inutilità dei dati strumentali unicamente intesi come indice di qualità e confermano la capacità dell'udito umano di rilevare alcuni fenomeni altrimenti impossibili da individuare tecnologicamente. Mi limito ad annotarne gli effetti negativi e a consigliare il modo per evitarli.
A conclusione dell'articolo viene descritta una circuitazione PP che ne integra i principi e che attualmente è l'unica utilizzata. Chiedo venia ai più esperti per l'esposizione di alcuni elementari concetti e per la totale assenza di formule.
Trasformatore di alimentazione.
Non si può lesinare energia quando si pretendono le massime prestazioni dal nostro impianto, d'altra parte è stato sperimentato che la resistenza serie totale dei componenti interessanti il circuito che fornisce corrente alle placche, com'è logico aspettarsi, influisce sulla dinamica in misura notevole specialmente in stadi SE, per cui volendo esaltare questo fattore sarebbe utile limitare quanto possibile ciò che in un elemento induttivo viene considerata perdita. Questa tendenza porta inevitabilmente ad un sovradimensionamento non privo di costi aggiuntivi.
Questo componente, come quelli che seguiranno, saranno visti in questa chiave, cioè tenendo in considerazione il tempo di salita nell'incremento di energia disponibile anche se strumentalmente privo di significato. La coerenza a questa linea porta a richiedere per esso un rendimento elevato(95% almeno). In altre parole: se il nostro circuito assorbe a riposo una corrente anodica totale di 100mA, il TA sarà dimensionato possibilmente per 200mA. La stessa cosa per la sezione filamenti, dove potrà essere richiesta una minore tensione in virtù di una minore caduta nel rame, per cui applicando stabilizzatori low drop-out verrà in definitiva dissipata minore potenza. Paradossalmente un trasformatore sovradimensionato oltre a migliorare le prestazioni dell'impianto, permette, per le ridotte cadute interne, di economizzare energia in modo non trascurabile.
Un alto rendimento può essere ottenuto calcolando la sezione del filo per una bassa intensità di corrente (1A/mm^2 per il TA e anche inferiore per il TU) in accordo con l'avvolgitore di fiducia che si occuperà anche del più opportuno dimensionamento del nucleo.
Anche se cablato su unica piastra l'amplificatore stereo è in effetti un dual mono (con 2 alimentazioni separate).
Collegando il cavo di alimentazione (ad amplificatore spento) verranno alimentati i primari dei TA attraverso una resistenza a filo da 6-10W (in parallelo ai contatti aperti del relè) e si caricheranno i condensatori per l'anodica al valore di vuoto (circa 210V): la resistenza serve a limitare il picco di corrente di carica che a condensatori completamente scarichi distruggerebbe forse il ponte di diodi prima di fondere il fusibile.
Se ben costruiti, nei primari in standby circolerà una corrente di circa 4mA, che su 230V fà poco meno di1W ciascuno.
L'interruttore di accensione, insieme ai filamenti, attiva il relè che shunta la resistenza: la corrente anodica nelle valvole sale lentamente portandosi in circa 45sec al punto di lavoro.
Diodi raddrizzatori.
Per svolgere questa funzione giustamente i puristi ricorrono all'impiego della raddrizzatrice per evitare i famigerati diodi al silicio, che anche in versione veloce e soft producono per un breve istante un picco di corrente inverso di intensità doppia rispetto al valore diretto. Questa funzione può invece essere vantaggiosamente svolta da elementi in tecnologia shottky in ogni genere di alimentazione (Fig 1). Essendo la loro massima tensione inversa (per gli esemplari più facilmente reperibili) non superiore a 100V è stata realizzata una serie fornita di opportuno partitore resistivo per coprire la tensione anodica di picco richiesta, utilizzando la versione SMD che meglio si adatta ad una soluzione compatta (Foto 1).
"Come la valvola, se non meglio", le testuali parole di un amico, incallito valvolista, al quale circa un anno fa avevo affidato in prova un siffatto ponte. Anche l'alimentazione dei filamenti può trarre giovamento da questa tecnologia grazie ad una singolare peculiarità che la rende ideale per questo impiego: la tensione diretta già dimezzata rispetto al diodo convenzionale è anche inversamente termodipendente, tende quindi a diminuire con l'aumentare della temperatura costituendo di fatto una controreazione termica che permette realmente di far circolare 3A in un diodo assiale di pari specifiche, come dire che più scalda e meno dissipa. Il modello più indicato per 6,3V è quello a tensione più bassa l'1N5820 (o simile) 20V-3A che, a seconda della marca, può produrre una Vd fino a 0,25V a 25C° che si riduce ulteriormente quando in funzione. Esistono anche versioni in case TO220 da 10 e 20A.
Questi diodi Shottky (100V 1A) li ho acquistati su ebay anni fa (100 pezzi per 15 euro). Durante i test un occasionale corto mi ha "fritto" l'impedenza di quel canale ma il ponte non se n'è nemmeno accorto!
Impedenza di disaccoppiamento.
Il titolo già la dice lunga sulla funzione del componente che, con azione complementare a quella del prossimo paragrafo, dovrebbe impedire il transito dell'intera banda audio in direzione del TA. Il p greco infatti, inteso sempre in versione induttiva, va rivisto nei valori e nelle funzioni: non più considerato esclusivamente un efficace soppressore di ronzio. Il nuovo, maggiore compito dell'induttanza è quello di isolare il più possibile l'amplificatore dall'alimentazione presentando un'impedenza non più calcolata sui 100Hz del ripple ma sui 20Hz-20KHz, il che porta a considerare un criterio d'avvolgimento simile a quello del trasformatore d'uscita per ridurre le capacità interstrato che farebbero transitare le frequenze più alte in direzione del TA. La resistenza dell'avvolgimento, alla pari di altri componenti passivi, assume un carattere di perdita, non solo inteso come spreco di energia per effetto Joule ma anche come limitazione di dinamica per il ridotto slew-rate nell'approvvigionamento di corrente. Un valore compatibile con i fattori peso e ingombro è quello di 50 ohm che, su un nucleo a “C” (a granuli orientati) può permettere un'induttanza di circa 5H: ampiamente sufficiente quando si impiega un'abbondante capacità di shunt in film plastico.
Condensatore di shunt.
Termine questo che suona nuovo come se non si fosse mai sentita l'esigenza di un dispositivo che cortocircuitasse in modo sicuro l'anello di segnale.
Va anche considerato che questo componente si trova in serie al segnale e come tale ne condiziona la qualità.
Mettereste voi un condensatore elettrolitico come capacità di accoppiamento conoscendo tutte le mortificazioni che produce sulla qualità del suono? Io no! Ma c'è anche chi preferisce condire il flusso di corrente con qualche modesta capacità, un po' di induttanze, alcune resistenze, quattro diodi e sempre più spesso un paio di semiconduttori di stabilizzazione, ignorando quale effetto possa avere quest'insalata di reattanze e di componenti non lineari sulla qualità sonica(Fig 2).
In una precedente esperienza sull'amplificazione a stato solido ho potuto saggiare l'effetto malefico dei condensatori elettrolitici. Il loro comportamento tra l'accumulatore e il diodo non permette mai di avere ad ogni accensione lo stesso suono per la dipendenza congenita dal tempo trascorso nello stato precedente(effetto memoria). Mantenerli costantemente all'esatta tensione di funzionamento è l'unico modo per avere una risposta costante, resta comunque un componente nato per funzioni diverse da quelle pretese in simili circuiti. Trovo opportuno il noto slogan:"Se lo conosci, lo eviti".
L'impiego di condensatori plastici (preferibilmente MKP) costituisce attualmente la scelta migliore per quest'applicazione che diviene possibile esclusivamente in ambiente valvolare per l'elevata impedenza tipica di lavoro. Il risultato è comunque tale da giustificare la spesa.
Sulla traccia del presupposto che per conoscere la posizione di un limite occorra oltrepassarlo, ho aumentato gradualmente, dopo ogni ascolto, il valore di questa capacità che diviene congrua quando un ulteriore aumento resta ininfluente sulla percezione sonica. La misura fissata seguendo questa metodica è di circa 1000uF ottenibili componendo un parallelo di condensatori MKP, della maggiore capacità disponibile, secondo quanto consigliato in Fig 3. La conseguenza di questa diversa prospettiva porta a vincolare il valore di questa capacità non più alla corrente assorbita ma all'impedenza di lavoro degli stadi serviti. Esempio: se due TU, uno da 3W e uno da 20W presentano un'impedenza di carico di 5Kohm, ovviamente applicati a differenti dispositivi e con tensioni e correnti continue diverse, potranno impiegare lo stesso valore di capacità di shunt, oppure dimezzata su un'impedenza doppia.
Il dimensionamento di questi condensatori tradizionalmente ridotto per l'uso come filtro spianatore e il conseguente frazionamento in celle successive RC o LC costituisce, ad opera delle differenti costanti temporali, una rete di riferimenti incerti la cui risposta armonica risulta casuale ed ingovernabile. La soluzione scelta è quella di un'unica grande capacità che sia un sicuro livello di riferimento come un "mare" per tutte le singole correnti (fiumi) che vi confluiscono sia dall'alto (alimentazione) che dal basso (massa).
Anche se ho già postato un'immagine simile con didascalie incluse, le ripeto qui per correttezza:
A Nei segmenti di conduttore comuni a più correnti di segnale, le stesse si sommano
algebricamente sia in modulo che in fase causando alterazioni nella composizione armonica.
B Evitare il frazionamento delle capacità. L'esito sonico può essere simile a quello del parallelo che
segue.
C La resistenza e induttanza in serie ai condensatori è diversa per ognuno di essi. Le diverse
costanti di tempo producono sonicamente una coda presente su tutta la banda con effetto simile
a quello causato da una pronunciata seconda armonica.
D Collegamento corretto: ogni capacità possiede la stessa costante temporale. Il loro parallelo non
produce persistenza e riduce a 1/3 sia la resistenza che l'induttanza serie equivalente.
Il parallelo multiplo così concepito consente di ottenere un valore di impedenza interna
sensibilmente inferiore ai migliori elementi singoli in commercio.
Condensatori di accoppiamento.
Il fattore di dissipazione, detto anche angolo di perdita perchè risultante dalle componenti interne R,C ed L, rappresenta la quantità di energia(segnale) persa sottoforma di calore e costituisce il principale indice di qualità di questi componenti. Esso dipende dal tipo di dielettrico usato, dalla struttura interna, dal valore della capacità e dalla frequenza di lavoro. Tipicamente (per 1uF a 1KHz) equivale a circa 5x10-4 per esemplari in polipropilene, 6x10-3 per quelli in poliestere, 5x10-2 per la versione elettrolitica, non ho trovato dati per il modello carta-olio(senza dubbio la migliore soluzione tecnologica di 60 anni fa).
Il che significa che il primo è circa 10 volte migliore del secondo, che a sua volta è 10 volte migliore del terzo. A 10KHz generalmente queste perdite raddoppiano.
Le conseguenze di queste imperfezioni possono dare effetti differenti a seconda della funzione svolta e dell'impedenza del carico ad essi applicato. Se i difetti di un condensatore di shunt sull'alimentazione non vengono amplificati, quelli che giungono sulla griglia di una valvola preamplificatrice o pilota subiranno invece un incremento proporzionale alla successiva amplificazione. Per questo, variando valore, marca e tipo di un condensatore di accoppiamento, è possibile percepire facilmente un numero pressochè infinito di sfumature soniche.
Da qualche tempo sono stati introdotti in vari cataloghi nuovi condensatori per impulsi, adatti alla protezione di Mosfet e IGBT, con tecnologia a 2 sezioni capace di velocità fino a un migliaio di V/us (Fig 4) anche con capacità di alcuni uF ma con prezzo e ingombro decisamente intollerabile.
Evox-Rifa ha recentemente messo in commercio la nuova serie PHE 450 di ingombro ridotto e costo accessibile. In Fig 5 viene mostrato un interessante confronto tra grafici (di marche diverse) della tensione alternata ammessa in funzione della frequenza.
Trasformatore di uscita.
Lo smorzamento, che interpreta la disponibilità ad erogare corrente, in uno stadio di uscita può essere incrementato applicando un certo tasso di controreazione di tensione, oppure applicando un carico inferiore alle valvole. L'opzione scelta non può essere che la seconda, a sua volta attuabile in due modi: aumentando l'impedenza primaria, con conseguente aumento della rispettiva resistenza e capacità parassita, oppure abbassando quella secondaria. In ogni caso si tratta di aumentare il rapporto di trasformazione ed è meglio farlo senza aumentare le perdite, scegliamo quindi il secondo caso con un'unica uscita da 4ohm per sfruttare tutto lo spazio disponibile nella finestra del nucleo con la maggiore sezione di rame possibile in tutti gli avvolgimenti primario e secondario.
Le casse a più vie come le mie hanno un modulo di impedenza con grafico simile a un matrimonio tra le montagne russe e l'aquafan: dal twin peaks a 16ohm del bass reflex scivola gradualmente a 3ohm da 8KHz in poi. E' sempre l'udito a dire l'ultima parola e in questo caso conferma di gran lunga la preferenza per l'uscita a 4ohm rispetto a valorl superiori.
Ho scelto come carico per la 6C45 a 180V-40mA il valore di 1250ohm, il che porta ad un valore pp di 5000ohm. Generalmente questo valore, insieme alla potenza, tensione e corrente di riposo e all'impedenza secondaria costituiscono i dati da comunicare all'avvolgitore. Se il carattere di quest'ultimo fosse particolarmente paziente, si potrebbe aggiungere la richiesta di limitare al massimo la resistenza primaria, quella secondaria entro 0,2ohm e magari di sovradimensionare il nucleo, il tutto ovviamente nei limiti del possibile. Ho apprezzato la qualità dei materiali e la disponibilità nel soddisfare le mie richieste per l'esecuzione dei prototipi affidandomi all'esperienza del Sig. Bartolucci, titolare di "Ricerca e Sviluppo" di Fano (PU).
Circuitazione.
La struttura di ogni progetto viene interamente condizionata dalla configurazione dello stadio di uscita. Le mie preferenze hanno sempre seguito la traccia razionale degli stadi simmetrici, complementari nello stato solido e bilanciati come differenziali e Push-Pull nel valvolare, i cui vantaggi sono elencati in Fig 6. Lo spunto per realizzare qualcosa di non convenzionale mi venne leggendo un articolo di CHF dove si descrivevano le peculiarità della, ormai rarissima e costosissima, EC8020 Telefunken. La somiglianza dei parametri con la più popolare russa 6C45 (già presente su un mio telaio come pilota) mi convinse a tentare una prova. L'idea originale che si materializzava in un monostadio in controfase con invertitore a trasformatore fallì miseramente quando rapidi calcoli mi consigliavano l'utilizzo di inesistenti valvole di potenza con coefficente di amplificazione =200, anche l'idea di supplire alla carenza di sensibilità con un rapporto di trasformazione in salita 1:3 nel trasformatore di ingresso si rivelò controproducente.
Mi rassegnai all'impiego di uno stadio aggiuntivo che immaginai rappresentato da un invertitore ad accoppiamento catodico con la solita 88 limitando il guadagno allo stretto necessario con una coppia di partitori anodici, anche per ridurre ulteriormente la già bassa resistenza equivalente di uscita. Gli ottimi risultati subito conseguiti mi convinsero a mantenere quella configurazione fino ad oggi.
La coerenza alle regole dettate impone un unico condensatore di shunt per finali e pilota, soluzione possibile soltanto se entrambi accettano la stessa tensione anodica, in caso contrario sarebbe necessario un alimentatore interamente indipendente per il pilota/invertitore, il che farebbe lievitare pesantemente la già notevole sezione alimentatrice.
Con l'aiuto di un distorsiometro connesso al secondario del TU, ho bilanciato i due opposti segnali agendo sul trimmer su una placca dell'invertitore in modo da annullare la 2°armonica. Il residuo prevalentemente di 3° nei pressi del clipping può raggiungere il 3% a 2,7W su R=4,7ohm e resta pressochè della stessa entità sia in presenza che in assenza di carico.
Se il valore della distorsione armonica scandalizzasse qualcuno, è bene sappia che dopo aver ascoltato questo prototipo ho demolito l'ibrido da 50+ 50W che distorceva lo 0,2% alla massima potenza.
E' stato adottato per l'anodica il regime di stand-by per non creare eccessivo stress ai ponti, poichè i diodi, per le resistenze poste in parallelo, troverebbero i condensatori completamente scarichi ad ogni accensione, inoltre la ridotta resistenza serie totale sull'alimentazione aumenterebbe il pericolo di sovraccarico allo spunto.
Per i filamenti ho preferito situare i dispositivi stabilizzatori con relativi dissipatori in prossimità del carico e in aria libera per non subire la caduta di tensione sui cavi di collegamento che renderebbe parzialmente vana la stabilizzazione.
La parte incorniciata dello schema di Fig 7 rappresenta il modulo costituito da un supporto di vetronite ramata monofaccia che ospita tutta la parte elettronica cablata in aria per un intero amplificatore stereo (Foto 3) con l'uso (come ancoraggi) di passanti in vetro in vetro della Philips dotati di bassissima capacità. Completato con potenziometro doppio di volume Alps da 47K, due TU e due gruppi di condensatori di shunt, può essere adattato ad opportuno contenitore (Foto 4).
Nel prototipo è stato disposto in modo tale da non avere necessità di cavi schermati interni in ingresso, cioè con gli invertitori in prossimità delle prese RCA sul pannello posteriore. In un secondo contenitore si disporranno i componenti dell'alimentatore (Foto 5). In opzione è possibile raddoppiarne la potenza collegando in parallelo gli ingressi e, due a due, le placche ad un unico TU ovviamente diverso dai precedenti. La versione stereo in questo caso sarebbe composta da 2 moduli, ma dovranno essere aggiornate capacità e alimentazione; nel relativo elenco componenti vengono indicati i valori per ogni possibilità. Il vantaggio di questo tipo di parallelo sta nell'utilizzare, duplicata, la stessa elettronica e nell'indipendenza funzionale delle coppie di valvole finali che potrebbero avere resistenze catodiche diverse per adattare il punto di lavoro a differenti tolleranze per cui si richiede una selezione 2+2 anzichè quattro uguali esemplari.
Non so se il merito maggiore sia dell'alta pendenza dei tubi di uscita, della semplicità circuitale o dell'insieme delle soluzioni di ottimizzazione fin qui descritte, ma il sound differisce positivamente da quello valvolare canonico e sorprende la sensazione di avere a disposizione una potenza almeno doppia di quella strumentalmente misurata.
Ritorni di massa e di alimentazione.
Quanto detto finora potrebbe non avere valore se non fosse completato da una concezione altrettanto assoluta di ritorni di massa e alimentazione. Da evitare il bus lineare, anche se di esuberante sezione, che spesso "serpeggia" nei telai di preamplificazione, forse nella presunzione che le deboli correnti in gioco non possano produrre effetti nocivi. Ho avuto incredibili esperienze in questo senso!
I segmenti comuni a più correnti di questo riferimento filare, anche se con resistenza di pochi milliohm, hanno sempre una conseguenza sonica, talvolta drammatica come l'autooscillazione.
Tutti i conduttori che in entrambi i sensi alimentano il circuito e i riferimenti di segnale faranno capo
singolarmente ai rispettivi terminali di destinazione (+ o massa) sul condensatore di shunt, configurando in tal modo una connessione a stella che certamente non è cosa nuova, ma dubito che venga sempre attuata in modo corretto (Fig 3).
Polarità assoluta.
Anche questo fenomeno influisce sulla componentistica del progetto limitatamente all'applicazione di un commutatore o relè che consenta l'inversione di entrambe le uscite. E' innegabile che il fenomeno esista, anche se mi appare diffusamente ignorato nell'ambiente audiofilo forse per la scarsa attenzione nell'ascolto oppure per l'effetto mascherante prodotto da elettroniche di bassa qualità o semplicemente per assenza di informazioni in merito.
Per riparare a quest'ultima eventualità mi accingo a riferirne le cause supposte e gli effetti osservati dallo scrivente.
Si presume, e si spera, che i microfoni (strutturati in origine in modo bilanciato) durante la registrazione siano collegati tutti nello stesso modo, cioè che siano in fase tra loro, conseguentemente all'attacco di uno strumento la corrispondente onda elettrica partirà in senso positivo o negativo a seconda del verso dei collegamenti ai microfoni, ma ciò non importa, quello che è realmente determinante è che il brano venga riprodotto dalle casse nello stesso modo. Ovvero più chiaramente: se nell'istante "t" la membrana del microfono sul palco si sposta verso l'ascoltatore, altrettanto deve fare quella dell'altoparlante nella nostra stanza. Si impiega il termine"polarità" invece di "fase" perchè l'angolo relativo non può essere diverso da 180°. Questo stato può essere invertito non solo dal nostro amplificatore ma anche, e più volte, dalle elettroniche durante la catena di mixaggio e riversamento sui vari supporti. Ne consegue che ogni CD, LP, TAPE, può virtualmente essere ascoltato "di fronte" o "di spalle" in modo ampiamente casuale.
In una posizione tutto scorre fluido con ricchezza di toni e dolci sfumature, forse troppo accattivanti per essere realistiche.
Scambiando entrambi i rossi con i neri, com'è logico aspettarsi, gli effetti si invertono: timbro più asciutto, bassi più frenati ma anche acuti più presenti e nessuna mascheratura di eventuali difetti nella catena di riproduzione.
Per assere sicuri della giusta prospettiva occorrerebbero non solo una registrazione ma anche un lettore, con polarità certificata.
Generalmente mi sono sufficienti circa 10 secondi ripetuti una sola volta sullo stesso brano dopo l'inversione per determinale la polarità convenzionale.
Si può contrassegnare sul retro del porta CD con il segno <+> ciò che soggettivamente si ritiene in fase e con un < - > quando per ottenere lo stesso gradimento occorra invertire le uscite.
Qualunque scelta si faccia, il segno sulla custodia CD distinguerà la polarità in modo permanente, cambiando preferenza sarà sufficiente considerarlo invertito ma, in questo caso per non creare confusione, sui successivi CD acquistati si dovrà ovviamente mantenere nell'indicazione il criterio di scelta originale.
Lettore.
All'interno di esso si verificano gli stessi fenomeni finora descritti per le altre unità. L'inevitabile presenza di elettrolitici esigerebbe un regime di stand-by non limitato alla sola sezione di alimentazione ma a tutti i settori che ne facciano uso. Precedenti esperienze mi hanno confermato che questo accorgimento è l'unico in grado di minimizzare gli effetti nocivi di questi componenti in tutti i circuiti dove non sia possibile evitarne l'impiego, compresi quelli a valvole.
Lasciando il lettore acceso in permanenza, dopo il primo mese senza averlo mai ascoltato ci si può facilmente accorgere che il timbro non è più lo stesso: la precedente leggera legnosità si scioglie regalandoci naturalezza, equilibrio, maggiore presenza e dinamica.
Se temporaneamente spento, perde rapidamente le doti acquisite e per riportarlo al precedente stato si richiederà un tempo di rigenerazione almeno doppio rispetto al periodo di disattivazione.
Ho scoperto di recente che anche Marantz nel suo nuovo primo lettore SACD della serie Range SA 8400 utilizza diodi shottky in tutti i ponti. Ho avuto occasione di provare questo modello che ad un prezzo relativamente accessibile a molti (circa 1Keuro) mantiene la configurazione della serie Premium: meccanica dedicata, SACD, CD, CD-RW, MP3, uscita diretta(senza regolazione elettronica di volume) a due canali, possibiltà di escludere il display, filtro di banda custom attivabile, uscita cuffia con potenziometro, nuovo convertitore D/A, totale assenza di operazionali sul percorso del segnale analogico, curato sia l'aspetto esterno che interno con ricchezza di schermature, misero il telecomando e un po' rumorosa la meccanica in SA ma l'inconveniente d'altronde presente anche nei modelli simili di altre marche è sistematico e, per ora, inevitabile, mal comune... La sezione CD mi appare in linea con la qualità generale.
La certificazione SACD sui supporti non è da sola garante di qualità, poche sono (per ora) le registrazioni in DSD peraltro non sempre dichiarate, la maggior parte sono rimasterizzazioni da analogico o dall'affollata schiera digitale 20-24bit/96KHz.
