Misura del fattore di smorzamento di un amplificatore (cc)

[MarioBon]

Il fattore d smorzamento (SF) di un amplificatore è, per definizione, il rapporto tra l'impdenza del carico e l'impedenza di uscita dell'amplificatore stesso (Zout). L'impedenza del carico è assunta pari a 8 ohm.
Ne segue che, se l'SF vale 100, l'impedenza di uscita dell'ampli vale Zout=8/100=0,08 ohm.
Di norma si dice che l'SF dovrebbe essere almeno superiore a 20 (Zout=8/20=0.4 ohm).
In un amplificatore a valvole con un triodo non controreazionata l'impedenza di uscita può arrivare a 2 ohm il che comporta un SF=4.
Quando l'SF è basso (minore di 20) è opportuno provare ampli e diffusori assieme.

La Zout, per definizione, è il rapporto tra la tensione a vuoto e la corrente di cortocircuito.
Ora la tensione a vuoto è la tensione che si misura ai morsetti di uscita dell'amplificatore quando non c'è alcun carico collegato (carico=infinito => non c' è un problema) mentre la corrente di cortocircuito è la corrente che si misura quando i morsetti dellamplificatore sono in cortocircuito (carico=0). Qui il problema c'è perchè se si mette in corto l'uscita o intervengono le protezioni o si brucano i dispositivi finali.

Per evitare di danneggiare l'ampli si eseguono (si dovrebbero eseguire) una serie di misure con carico decrescente e si ricava il valore della corrente di cortocircuito per interpolazione.

L'FS di un amplificatore dipende dalla frequenza e dipende alle basse frequenze dalla presenza di accoppiamenti in alternata (condensatori in serie al percordo di segnale) ed alle alte frequenze da come è realizzato l'amplificatore.
Se l'FS risulta indipendente dalla frequenza è un chiaro segno di qualtà dell'ampli.

La scelta del carico.
Per misurare l'FS si devono fare più misure con carichi diversi. Come minimo si dovrebbe misurare con 8,4 e 2 ohm di carico. Sotto i 2 ohm in genere scattano le protezioni ma questo avviene in corrispondenza di potenza prossime al limite di erogazione: una decina o ventina di watt dovrebbero essere disponibili.
Servono quindi dei resistori di una crta potenza, precisi (bassa tolleranza) e con un basso cefficiente termico.
Il coefficiente termico viene riportato in parti per milione per grado (ppm/°C). 100 ppm/°C significa che, per ogni grado di aumento della temperatura, il valore aumenta di 100 parti per milione.
T aumenta di 1 °C => R aumenta di 100 ppm => 0.01%
T aumenta di 10 °C => R aumenta di 1000 ppm => 0.1%
T aumenta di 100 °C => R aumenta di 10000 ppm => 1%
I resistori MOX generici presentano 200 o 250ppm/°C mentre i migliori arrivano a 25 ppm/°C.
Esistono anche resitori di precisione che vanno sotto le 25 ppm/C° ma oltre che costori sono generalmente realizzati su specifiche per applcazioni particolari.
Accontentiamoci di 100 ppm/°C.
Abbiamo detto che i resistori devono sopportare una certa potenza quindi conviene usare più resistori di qualità (MOX a strato di ossido metallico) collegati in parallelo.
Con 10 resistori in parallelo da 82 Ohm e 1 Watt si ottiene un resistore da 8.2 ohm, all'1% di tolleranza da 10 Watt con una buona stabilità termica. Se poi questi resistori vengono montati su un dissipatore di calore è meglio. Con 20 resistori si ottengono 4.1 Ohm (20 Watt) e con 40 si arriva a 2.05 Ohm (40 Watt).

[MarioBon]

A quale frequenza eseguire la misura.
Dato che l'FS dipende dalla frequenza si dovrebbero eseguire più misure a frequenze diverse. Audio Review misura FS a 100, 1000 e 10000 Hz il che fornisce un quadro esaustivo.
Per misurare la tensione a 1000 e 10kHz serve un multimetro con nua banda passante che si estende oltre i 10 kHz e non tutti lo hanno.
Molti invece disponfono di un multimetro a tre cifre e mezza che misura con una certa precisione i 50 Hz di rete. Stabiliamo quindi di eseguire la misura a 50 Hz. In rete non è difficile trovare un generatore di segnali e generare una sinusoide a 50 Hz. Quindi il nostro generatore di segnali sarà il PC (magari un portatile che funzioni a batterie) e lo strumento di misura un normale multimetro.
Per ottenere il massimo dal nostro multimetro regoliamo il volume in modo che la tensione a vuoto sia di 2.000 Volt. In questo modo sfruttiamo tutte le cifre a disposizione.

Nota 1: quando il carico non è collegato, tra A e B non fluisce corrente quindi la tensione in A e B è la stessa (tensione a vuoto).
Nota 2: quando la resistenza di carico è nulla la corrente non è infinita perchè è limitata da Zout.

Ricapitolando:
- un generatore di segnali (PC) fornisce una sinusoide a 50 Hz
- colleghiamo l'uscita della scheda audio del PC all'ingresso dell'ampli
- colleghiamo il multimetro all'uscita dell'ampli senza carico
- regoliamo il volume per leggere 2.000 (2 Volt)
Questa è la tensione a vuoto.
Ora ripetiamo la lettura ma con il resistore da 8.2 ohm collegato all'uscita dell'ampli.
Supponiamo di leggere Vout=1.880 Volt.
Vout è la tensione all'uscita del partitore formato da Zout e dal carico Rc=8.2ohm. In generale:
Vout = 2.0 Rc/(Zout+Rc) = 1.880
risolvendo rispetto a Zout si ottiene:

Dove Vvuoto è la tensione misurata a vuoto (2 V).
Dall'espressione data si vede che l'errore dipende in massima parte dall'accuratezza con cui si misurano le tensioni. Con i numeri dell'esempio si ottiene Zout=0.5231 da cui
FS = 8/0.523=15.29
Ora possiamo usare come carico le altre due resistenze e ripetere la misura. Cautelativamente terremo il valore di FS più basso.
Se disponiamo di un multimetro con banda passante sufficiente potremo misurare l'FS a 100, 1000 e 10kHz.
Nel calcolo è presente il rapporto delle tensioni quindi un errore di calibrazione del multimetro non incide sul risultato. Questo significa che possimo utilizzare il multimetro anche a frequenza più alta (anche se un po' oltre la sua banda passante).

[MarioBon]

Nella realtà all'uscita dell'amplificatore può essere presente una rete di zobel e anche un circuito RL (bobina in parallelo a resistore). In più il fattore di smorzamento che si vede guardando dai morsetti del diffusore verso l'amplificatore, comprende anche il cavo di collegamento.
Definiamo il fattore di smorzamento del solo cavo come FScavo=8/Rcavo. Per semplicità consideriamo solo la componente resistiva. FScavo è il fattore di smorzamento che si avrebbe impiegando quel cavo con un ampli con fattore di smorzamento infinito.
Il fattore di smorzamento complessivo (ampli + cavo) è pari a FSampli//FScavo.
Come è noto il risultato di un parallleo è un numero più piccolo del minore tra i due: la presenza del cavo riduce il fattore di smorzamento complessivo.

Un cavo AWG10 lungo 2.5 metri presenta una resistenza di 0.0164 ohm e un fattore di smorzamento pari a 8/0.0164=487.8. Se lo utilizziamo con un ampli con FS=100 questo si riduce a 83 circa (-17%).
Con un cavo AWG14 (molto usato) sempre per 2.5 metri la resistenza vale 0.0413 e FS=193.
Se lo utilizziamo con un ampli con FS=100 questo si riduce a 66 circa (-34%).

Negli ampli a valvole, che hanno FS basso e vengono usati con diffusori ad alta impedenza, i cavi hanno molta meno importanza (e infatti in certi casi va bene anche la piattina rosso/nera da un millimetro di sezione AWG 17 che presenta, su 2.5 metri, un FS=96.7).

[MarioBon]

Questo è un tipico amplificatore non invertente con retroazione in tensione. All'uscita si nota la rete di Zobel (Cz1 Rz1) e l'impedenza in serie (Lp//Rp).
L'impedenza della rete di Zobel alle frequenze alte si riduce alla resistenza Rz che appare riduce il carico e il guadagno ad anello aperto. L
L'impedenza del parallelo Lp//Rp, invece , alle alte frequenze appare come una resistenza Rp in serie all'amplificatore. Entrambe contribuiscono ad abbassare il guadagno ad anello aperto.
L'impedenza di uscita dell'ampli Zout è quella che si vede guardando verso l'uscita dell'ampli come indicato dalla freccia.
Il cavo che collega l'altoparlante può essere considerato una "linea corta" e schematizzato con il modello a parametri concentrati.

Questo è quello che succede a bassa ed alta frequenza.

[Calbas]

Il fattore di smorzamento ha importanza, all'ascolto, a tutte le frequenze allo stesso modo o in modo diverso?

[MarioBon]

Se l'impedenza del diffusore fosse la stessa a tutte le frequenze un fattore di smorzamento (ugualmente costante a tutte le frequenze) comporterebbe solo un lieve attenuazione su tutta la banda audio senza modificare in alcun modo il timbro della riproduzione.
Purtroppo l'impedenza dei diffusori è varibile con la frequenza e spesso anche il fattore di smorzamento lo è. In generale i diffusori presentano i minimi di impedenza nella regiome tra 150 e 300 Hz quindi un fattore di smorzamento basso si traduce in un alleggerimento della riproduzione dei mediobassi.
Questo non è un male in assoluto perchè la stessa regione di frequenze potrebbe essere messa in evidenza dalla posizione del diffusore. Può succedere anche il contrario: il diffusore è molto lontano dalle pareti, il fattore di smorzamento troppo basso deprime i medio bassi e la riproduzione "perde corpo".

Motivo per cui:
- un ampli con SF > 200 va provata (potrebbe avere troppa controreazione)
- un ampli con FS tra 50 e 100 va sempre bene
- un ambpli con FS tra 20 e 50 va quasi sempre bene
- un ampli con FS < 20 (specie valvole) va provato con i propri diffusori possibilmente a casa propria.

Gli ampli monotriodo non controreazionati hanno FS attorno a 4/5 e funzionano benissimo con molti diffusori ma non con tutti: dipende sia dal diffusore che dall'ambiente.

[Alessandro Cioni]

Io ho un punto di vista diverso da quello di Mario.
Pur confermando la sua analisi circa la variazione di risposta nelle zone a carico gravoso, credo che il problema maggiore sia altrove.

Per chi non l'avesse a mente, ricordo che il trasduttore magneto-dinamico funziona in due direzioni.
Se da un lato trasduce il segnale elettrico in segnale sonoro, dall'altro si comporta come un generatore, trasducendo in energia elettrica l'energia meccanica, inviando all'ampli tutto quello che sente, che sia il colpo di un dito sulla membrana di un woofer o la nostra voce, o peggio, la musica stessa che stiamo ascoltando e che viene riverberata nella sala, come un microfono.
Ma c'è anche un altro aspetto, a mio avviso più problematico.
Nelle back EMF (così hanno battezzato queste correnti di feedback) c'è anche una componente dovuta all'inevitabile disallineamento che si genera tra segnale elettrico e segnale trasdotto.
In altre parole, ogni volta che la posizione della bobina mobile si discosta da quella direttamente associabile al segnale elettrico, il trasduttore diventa generatore e l'ampli “vede” una differenza di potenziale ai suoi capi che si traduce in corrente che scorre con verso opposto.
Semplificando molto, mentre l'ampli pilota il trasduttore, questo pilota l'ampli, ma solamente per quella parte di segnale che non riesce correttamente a trasdurre.
A differenza della risposta in frequenza, che può essere “aggiustata” in vari modi, questo reciproco pilotaggio genera una distorsione nell'ampli che non è in alcun modo recuperabile, se non con un alto fattore di smorzamento.
Con una bassissima impedenza d'uscita, uno stadio finale riesce meglio a cortocircuitare quella corrente di ritorno, impedendole di andare a contaminare il segnale musicale in tutte le regioni del dominio analogico.

Su questo argomento esistono diverse scuole di pensiero.
Molti sostengono che quel feedback non è un problema, perché si ferma sui filtri passivi.
Altri credono che quel poco che arriva al finale viene efficacemente cortocircuitato, anche con un FS non altissimo.
Io invece ne sono ossessionato.
Credo che sia proprio il feedback a fare dei filtri passivi un componente problematico e che sostituendoli con quelli attivi non facciamo altro che spostare il problema più in alto, verso la sorgente.
Credo che l'impedenza d'uscita di un finale dovrebbe essere vicina allo zero, sempre.

[Calbas]

Mi avete messo la curiosità:
Frequenza 120Hz
Tensione a vuoto 2.000 V
Resistenza 6.81 Ohm
Tensione sotto carico 1.956V

Da che risulterebbe un Zout di 0.1531 ... ma...
siccome non ho staccato i cavi e quindi sono compresi 14mt di 6mmq (7+7), che ho calcolato come 0.04 ohm,
stimo un valore all'ampli di 0.1131 Ohm.
Se non ho sbagliato i conti sarebbe un FS= 70
di quelli che va sempre bene

A questo punto mi domando: ma in regime dinamico l'impedenza è costante?

[MarioBon]

Se con regime dinamico intendi con segnali "grandi" e transitori la risposta in generale è no: l'impedenza non è costante nel senso che non è completamente indipendente dalla tensipne applicata (del resto non lo è nemmeno per i componenti passivi). L'impedenza di un altoparlante è dovuta, tra l'altro, al moto della bobina mobile, se questo non è lineare nemmeno l'impedenza lo è.
Bisogna vedere quanto. Tuttavia se il fattore di smorzamento è alto, la tensione prodotta dall'amplificatore non ne risente. Cambia invece la corrente assorbita dal carico (che cambia in forma).

[Calbas]

Stavo pensando che i finali sono alimentati, ad es. con 72V per piccole potenze, con 72-> a scendere per potenze maggiori e con tensione variabile in regime musicale. L'impedenza del sistema di alimentazione avrà la sua influenza, ma immagino che alla fine le variazioni siano di qualche decimale.