Sensibilità ed impedenza

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Grisulea
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Sensibilità ed impedenza

#1 Messaggio da Grisulea »

Ho letto a volte di impedenza, sensibilità, accoppiamento e sinergia senza che mai nessuno chiarisse in via definitiva la questione. Che impedenza di uscita deve avere e che tensione deve erogare uno stadio per pilotare quello successivo. Il più classico degli esempio è un pre rispetto ad un finale. Perché si dice che l'una deve essere almeno 10 volte l'altra. Cosa succede se non lo fosse? Quale svantaggio presenta? Ipotizziamo un pre che esce con 600-1000 ohm. Arriviamo all'assurdo che debba pilotare un finale con impedenza di ingresso di altrettanti 1000 ohm. Cosa succede? Cosa va storto? Il discorso tensione resta evidentemente più semplice ma, anche in questo caso cosa succede? Se un pre esce con due volt ed un finale ha sensibilità di due volt non potrebbe bastare? Mi rendo conto che partendo da un segnale molto basso il guadagno potrebbe non essere sufficiente a far erogare i due volt. In una situazione del genere, finale che necessita di due volt, quanti ne servono per mettersi al riparo da sorprese? Il doppio? Il quadruplo? Entro il limite dei due volt il suono non dovrebbe essere lo stesso? Lo stadio di ingresso di un finale richiede corrente allo stadio precedente? Come la si calcola e come si calcola quella in uscita dallo stadio che precede? Conoscendo il guadagno in db come si stabilisce la tensione in ingresso che arriva a portare al limite un finale? Es: guadagno 27 db, potenza di uscita 200 watt (ipotizzati su 8 ohm). Ecc..... ecc..
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Re: Sensibilità ed impedenza

#2 Messaggio da MarioBon »

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La figura rappresenta un pre collegato all'ampli che è collegato all'altoparlante. Ogni stadio è caratterizzato da una impedenza di uscita Rout e da una impedenza di ingresso Rin. Nello schema è anche indicato un condensatore in parallelo all'ingresso dei dispositivi. Non è stata indicata una induttanza in serie alle impedenze di uscita.
Consideriamo l'uscita del pre e l'ingresso dell'ampli. la tensione V* è quella che sarebbe la tensione Vout se Rin dell'ampli fosse infinita.
La presenza di Rin finita fa si che

Vout= V* Rin/(Rin+Rout)

consideriamo 3 casi:

Rin molto maggiore di Rout => Vout circa uguale a V*
Rin uguale a Rout => Vout = 0.5 V*
Rin molto minore di Rout => Vout molto minore di V*
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Re: Sensibilità ed impedenza

#3 Messaggio da MarioBon »

abbiamo detto che

Vout= V* Rin/(Rin+Rout)

per esempio se Rin = 100 e Rout = 10000 risulta che Vout= V* 10000/10100 = 0.9901 (con una attenuazione di 0.086 dB)

per esempio se Rin = 100 e Rout = 1000 risulta che Vout= V* 1000/1100 = 0.9091 (con una attenuazione di 0.828 dB)

Quindi
se l'impedenza di ingresso è 100 volte l'impedenza di uscita l'attenuazione è trascurabile
se l'impedenza di ingresso è 10 volte l'impedenza di uscita l'attenuazione è del 10% circa

Supponiamo che la sorgente (il pre) quando nulla è collegato alla sua uscita, fornisca un segnale di 2 Volt.
Ora colleghiamo l'ampli. A questo punto la tensione applicata all'ingresso dell'ampli dipende dal partitore di tensione formato da Rin e Rout con le regole viste prima.

Questo vale tra pre e ampli ma anche, allo stesso modo, tra ampli e altoparlante (rin=Zaltoparlante).
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Re: Sensibilità ed impedenza

#4 Messaggio da MarioBon »

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In parallelo alle impedenza di ingresso è stato rappresentato un condensatore. Tale condensatore c'è sempre sia che sia stato previsto come componente nel circuito che come capacità parassita.
Quel condensatore introduce un polo ovvero fa diventare il semplice partitore resistivo, formato da Rin e Rout, un filtro passa basso.
La frequenza di polo (dove la risposta è attenuata di 3 dB) vale

Fpolo = 1/(6,28 C R) dove R = Rin//Rout

più C è grande più la frequenza Fpolo è bassa.

Per quanto riguarda R = Rin//Rout il valore del parallelo di due resistori ha un valore che è sempre minore della più piccola delle due. Se una resistenza è molto più grande dell'altra (per esempio Rin >> Rout) risulta che

R = Rin//Rout = Rout

ne segue che, a parità di capacità C (che sta nell'ampli) più Rout è alta e più la banda passante si accorcia.
Ne segue che se un pre ha Rout=1000 Ohm avrà banda passante 10 volte più stretta di un pre con Rout=100 Ohm (quando collegato allo stesso ampli).
Quindi più Rout è bassa e meglio è (per estensione di risposta in frequenza).
Allora perché non si fanno dei pre con Rout nulla? Si potrebbe ma non si fa perché altrimenti, in caso di corto circuito, si brucerebbe e bisognerebbe mettere delle protezioni che il più delle volte fanno danni.

In genere l'impedenza di uscita dei dispositivi non di potenza è di 50 Ohm perché i cavi schermati RG58 hanno impedenza di 50 Ohm. Per fortuna in banda audio l'impedenza del cavo coincide con la sua componente resistiva (e induttanza e capacità parassite) e quindi non ha molta importanza se l'impedenza Rout vale 10 o 1000 Ohm perchè il problema dell'adattamento del cavo non si pone.

Se dovessimo lavorare da 10 MegaHz in su dovremmo regolare Rout a 50 Ohm, usare un cavo con impedenza 50 Ohm e collegare ad un amplificatore con Rin di 50 OHm. In questo modo il sistema sarebbe "adattato" e con zero onde stazionarie intrappolate nel cavo. Ma noi lavoriamo solo fino a 20kHZ è tutto ciò non ci interessa.
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Re: Sensibilità ed impedenza

#5 Messaggio da MarioBon »

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C'è una cosa che è stata solo accennata: Nell'impedenza di uscita degli amplificatori è presente una componente induttiva. E' come se ci fosse una bobina in serie all'uscita dall'amplificatore. Questa induttanza in sé non fa niente ma quando si collega il carico, se questo presenta un condensatore in parallelo, si forma un circuito risonante che può causare un picco nella risposta in frequenza o anche indurre l'amplificatore ad oscillare.
Per questo si devono consigliare cavi a bassa capacità perché la componente capacitiva può fare danni.
E' bello vedere che tutti cercano di vendere cavi a bassa induttanza (e alta capacità) come se fossero la panacea di tutti i mali quando invece sono la causa dei problemi. La piattina (cavi affiancati e paralleli) possiede una capacità bassa. I cavi twistati hanno capacità alta.

Naturalmente quando si dice amplificatore si intende l'amplificatore finale di potenza ma anche l'amplificatore di uscita del pre o del Phono RIAA o della sezione analogica del lettore CD o del convertitore DAC.

Il "problema di interfaccia" tra due dispositivi sta tutto nella impedenza di uscita di uno, nella impedenza di ingresso dell'altro e nel cavo che li connette. Conoscendo i valori si possono fare calcoli e previsioni precise. In sostanza nessun segreto, nessun olio di serpente, nessuna polvere di stelle.

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Re: Sensibilità ed impedenza

#6 Messaggio da Grisulea »

Considerando quindi due stadi di cui il primo ha rout=rin del successivo il risultato è che metà tensione viene sprecata? Da questo punto di vista quindi nessun problema se la tensione disponibile in uscita è abbondante? Per la banda passante che probabilità c'è che il passa basso cada in banda audio? Ipotizzando rout 1000 ohm ed rin idem 1000 ohm è possibile che la capacità media sia tale da influire sulla banda passante? Non conoscendo il valore di questo condensatore come ci si può regolare?
Per gli stadi simmetrici valgono le stesse regole? Perché alcuni stadi simmetrici (tutti?) assorbono correnti diverse tra i due rami? Cosa comporta per lo stadio che pilota questa differenza? Come mai alcuni stadi finali dichiarano impedenza di ingresso minima e massima? Cosa la fa variare?
Come si calcola la sensibilità di ingresso partendo dalla potenza e dal guadagno espresso in db?
Considerando tutta la catena del guadagno e ritrovandosi in accesso con scarsa possibilità di utilizzo del potenziometro del volume e comunque della regolazione se non eccessivo rumore, come si calcola il partitore per attenuare in ingresso al finale tenendo conto di quanto già precisato tra uscita ed ingresso?
Idem per il bilanciato, quale schema e che valori di resistenza con un esempio concreto, esempio rout 1000, rin 1000 e 10000.
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Re: Sensibilità ed impedenza

#7 Messaggio da MarioBon »

se Rin=Rout=1000 metà della tensione viene sacrificata e la frequenza di polo vale:

Fpolo = 1/(6.28 x 500 x C)

possiamo calcolare C per avere banda passante di 20kHz => C= 1000000/(6.28 x 500 x 20000) = 0.0159 in uF o 15.9 nano Farad.

Sulla questione degli stadi simmetrici non voglio entrare. Note el impedenza come è realizzato il crcuito è irrilevante. Se l'impedenza di ingresso cambia con la frequenza se ne tiene conto al di là dei motivi che ne provocano la variazione.

Se il guadagno è espresso in dB come dB=20log(gain) si applica l'espressione inversa

gain = 10^(dB/20)

ora supponiamo che la potenza sia 100 Watt su 8 Ohm. Ricaviamo la tensione RMS di uscita da W = V^2/R
risulta V=28.28 Vrms.
a questo punto la sensibilità di ingresso vale Sens=V/gain che dà la tensione RMS necessaria per ottenere la massima tensione di uscita.

Se il guadagno della catena è eccessivo conviene ridurre la sensibilità (il guadagno) dell'ultimo stadio in modo da preservare il miglior rapporto segnale rumore della sorgente. Il modo più semplice per farlo è con un partitore resistivo all'ingresso dell'ultimo stadio (ampli di potenza): come farlo dipende da come è fatto lo stadio di ingresso. Si potrebbe mettere semplicemente una resistenza in serie ma questo aumenta il rumore e potrebbe limitare pesantemente la banda passante. Servono i dettagli circuitali. Idem per il bilanciato.
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