Amplificatori: Potenza e interfacciamento

[MarioBon]

La funzione dell'amplificatore audio è incrementare la potenza del segnale per poter pilotare gli altoparlanti.
Supponiamo che siano necessari 100 Watt per pilotare un altoparlante da 8 Ohm.
Per semplicità consideriamo l'impedenza dell'altoparlante perfettamente costante.
La corrente richiesta è pari a 3.536 Amper.
Se per ottenere i 100Watt che srvono all'ingresso si deve applicare un segnale di 1 Vrms risulta che il guadagno in tensione dell'ampli vale 28.3 volte.
E il guadagno in corrente?
per calcolarlo dobbiamo conoscere l'impedenza di ingresso che di solito è di 10kOhm. 1 Vrms su 10kOhm produce una corrente di un decimo di milliAmpere.
Quindi entra un decimo di millesmo di Ampere ed escono 3.536 Ampere. questo significa che il guadagno in corrente è di 35360.
L'amplificatore guadagna molto più in corrente che in tensione.
L'amplificatore ideale si comporta come un generatore di tensione ideale e, idealmente, eroga tutta la corrente che serve indipendentemente dal carico.
Se l'amplificatore ideale produce 40 Volt di picco in uscita (corrispondenti a 100W continui su 8 Ohm) sul carico erogherà:

50 Watt su 16 Ohm
100 su 8 Ohm
200 su 4 Ohm
400 su 2 Ohm
800 su 1 Ohm
1600 su 0.5 Ohm ecc.

Questo l'amplificatore deve avere, oltre che una alimentazione ideale, una impedenza di uscita nulla ovvero un fattore di smorzamento infinito.
L'amplificatore ideale mantiene la tensione sul carico indipendentemente dalla natura del carico quindi può essere anche un condensatore, un induttore o qualsiasi carico reattivo venga in mente.
E' del tutto evidente che l'amplificatore ideale si interfaccia perfettamente con qualsiasi carico.

[MarioBon]

Purtroppo gli amplificatori ideali non esistono. L'amplificatore reale soffre di tre limitazioni:
- la tensione in uscita è limitata
- la corrente in uscita è limitata
- l'impedenza di uscita è finita
Ne segue che la potenza erogabile non solo è limitata ma dipende anche dal carico.

Se il carico (l'altoparlante o diffusore acustico) avesse una impedenza costante (puramente resistiva) non ci sarebbero grossi problemi: basterebbe scegliere l'amplificatore in grado di pilotarlo. L'interfacciamento tra ampli e altoparlante e molto semplice.
I problemi nascono perchè altoparlanti e diffusori acustici sono carichi reattivi e l'impedenza dipende dalla frequenza e può presentare dei minimi anche inferiori a 2 Ohm e dei massini nell'ordine delle decine di Ohm. La fase dell'impedenza (specie a bassa frequenza) può raggiungere e superare i 60°.
Inutile parlare di normativa perché le rispettano in pochi e non fanno testo.

A questo punto dobbiamo sapere che quando la fase dell'impedenza del carico raggiunge i 60° il valore della parte reale dell'impedenza si dimezza. La potenza elettrica che interessa è quella che l'ampli erogata sulla parte reale del carico ed è di questa che ci dobbiamo preoccupare. Ne viene che:

un carico da 16 Ohm +60° => equivale a 8 Ohm
un carico da 8 Ohm +60° => equivale a 4 Ohm
un carico da 4 Ohm +60° => equivale a 2 Ohm

Se il mio altoparlante presenta una impedenza di 8 Ohm tenendo conto che la fase può arrivare a 60° devo pilotarlo con un amplificatore adatto ad un carico da 4 Ohm.
Se il mio altoparlante presenta una impedenza di 4 Ohm ... devo pilotarlo con un amplificatore adatto ad un carico da 2 Ohm.
Tutti gli amplificatori possono pilotare carichi da 4 Ohm...il fatto è che certi diffusori hanno minimi di impedenza ben inferiori. Poi ci si lamenta che gli amplificatori non suonano.

Fin qui abbiamo stabilito che conviene scegliere un ampli capace di pilotare un carico pari a metà della impedenza del diffusore acustico.
Questo ci consentirà di avere un margine di sicurezza e dormire sonni tranquilli.

Al contrario, dato un amplificatore adatto ad un carico resistivo di 4 Ohm, si dovrà scegliere un diffusore con minimi da 8 Ohm.

[MarioBon]

Se andate a leggere le prove di Audio Review troverete le curve di carico limite degli amplificatori.

Di questi grafici interessa esclusivamente la traccia relativa alla potenza continua (in rosso). Normalmente la curva di carico limite è piegata verso sinistra perchè la potenza erogata non raddoppia con la potenza.
Possiamo dividere gli amplificatori in classi:

- ampli a valvole (ovvero a potenza costante al variare del carico)
- ampli che aumentano la potenza di 1.2 volte al dimezzare del carico ===> "scarsetti"
- ampli che aumentano la potenza di 1.414 volte al dimezzare del carico ===> "normali"
- ampli che aumentano la potenza di 1.6 volte al dimezzare del carico ===> "buoni"
- ampli che aumentano la potenza di oltre 1.6 volte al dimezzare del carico===> "ottimi"

prendiamo un amplificatore normale da 100 Watt. La potenza al variare del carico vale:

100 Watt continui su 8 Ohm (tensione di picco 40 Volt) => corrisponde a 16 Ohm+ 60°
120 su 4 (tensione di picco 30.98 Volt)=> corrisponde a 8 Ohm+ 60°
144 su 2 (tensione di picco 24 Volt)=> corrisponde a 4 Ohm+ 60°

L'amplificatore lavora in tempo reale quindi non può avere un comportamento a certe frequenze dove l'impedenza del carico vale 8 Ohm ed un comportamento diverso alle frequenze dove l'impedenza vale 2. Affinché lavori bene dobbiamo limitare la tensione di uscita al valore che riesce a garantire con qualsiasi carico a partire da 2 Ohm (ovvero 4 Ohm + 60°). Tale tensione, per l'ampliin esemoi, è di 24 Volt che corrispondono a 38 Watt continui su 8 Ohm.

100 Watt consentono di aumentare l'SPL di 20 dB
38 Watt consentono di aumentare l'SPL di 15.8 dB (4.2 dB in meno)

Poi ci si lamenta del fatto che gli amplificatori lavorano quasi sempre in clipping.

Consideriamo un amplificatore buono. La potenza vale

100 Watt continui su 8 Ohm (tensione di picco 40 Volt) => corrisponde a 16 Ohm+ 60°
160 su 4 (tensione di picco 35.78 Volt)=> corrisponde a 8 Ohm+ 60°
256 su 2 (tensione di picco 31.87 Volt)=> corrisponde a 4 Ohm+ 60°
Questo ampli garantisce 31.87 Volt di picco sul carico corrispondente a 64 Watt che consentono di aumentare l'SPL di 2.4 dB supriore al precedente. La potenza su 8 Ohm è la stessa ma la tensione garantita è più alta.
Clippa di meno, distorce di meno e quindi suona meglio.

Senza fare altri conti è chiaro che la qualità di un amplificatore si capisce da quanto aumenta la potenza al dimezzare del carico.

Il buono o cattivo interfacciamento tra ampli e diffusori si realizza con la manopola del volume:
- se si alza troppo il volume l'ampli clippa (e non è ben interfacciato)
- se la tensione di uscita è quella che l'ampli può garantire è ben interfacciato.

Interfacciamento di ampli a valvole: un ampli a valvole dispone di un trasformatore di uscita che è calcolato per un carico specifico (16, 8, 4 o 2 Ohm)
Non c'è nessun problema di interfaccia: si deve collegare un altoparlante con impedenza costante e pari al valore predisposto. Qualsiasi carico diverso non è "ben interfacciato".

[MarioBon]

Quando non si conosce l'impedenza del diffusore che si dovrà pilotare si deve ragionare come esposto fin qui scegliendo un ampli che, alla fine, sarà sovradimensionato.
Se invece si può scegliere il carico in funzione dell'amplificatore a disposizione si può operare in modo diverso.
Per esempio si può prendere un ampli economico e metterlo nelle condizioni più favorevoli. Queste condizioni sono invariabilmente due:
- configurazione a ponte
- impedenza alta (tipicamente 16 Ohm nominali).
La configurazione a ponte cancella la distrorsione di armoniche pari riducendo l'intermodulazione. Il carico a 16 Ohm nominali limita la corrente e riduce la probabilità che intervengano le protezioni.

Prendiamo l'E-800 che è un ampli molto economico e con un difetto: è instabile su carichi di 2 Ohm. Ne segue che non dovrebbe lavorare su impedenza da 4 Ohm +60°. Va utilizzato su impedenza minime di 8 Ohm.
La potenza erogata secondo il costruttore è di 500 Watt su 8 Ohm e 350 su 4. Il rapporto è 1.4 quindi sarebbe un amplificatore normale (nel manuale del 2012 la potenza era 440 W su 4 Ohm). Va considerato un ampli da 250 Watt per carichi da 4 Ohm in su. Configurato a punte su 8 Ohm (in base ai criteri visti) eroga 500 Watt su 8 e 250 Watt su 16 Ohm. Visto il costo anche 250 Watt sono tanti e conviene collegarlo a due altoparlanti in serie (che fanno 16 Ohm nominali e probabilmente 12 di parte reale). In questo modo l'amplificatore lavora su un carico di tutto riposo (erogando al massimo 4 o 5 Ampere) almeno finchè non si esagera con la manopola del volume e l'elevata impedenza scongiura anche gli effetti della instabilità e l'intervento delle protezioni. Il guadagno in SPL arriva a 27 dB (invece di 30 ma poco cambia). Se lo si usa per ascolti ad alto volume va benissimo (ad alto volume la selettività dell'apparato uditivo è limitata).

Dato che la stabilità dell'amplificatore riguarda il margine di fase all'estremo alto della banda audio, se viene preceduto da un filtro passa basso che ne limita il funzionamento alle basse frequenza può essere utilizzato anche su carico da 8 Ohm (subwoofer). Al limite si può introdurre una compensazione all'uscita (la duale di una rete di Zobel).
Quello che l'E800 non è in grado di fare decentemente è pilotare un diffusore HiFi sulla intera banda audio (in particolar la parte alta).
Come si evince da quanto detto, non c'è nessun misterioso "interfacciamento".

[virman71]

Molto interessante come argomento,è un pò la situazione che mi trovo io in casa,non tanto per l'E800 ma per l'utilizzo di ampli pro economici ma in multiamplificazione e quindi,da come ho capito,fatti lavorare con un carico ridotto e non a banda intera.Il vantaggio rispetto all'E800 o simili è che i miei Crown XLS hanno stabilità fino ai 2 ohm e personalmente all'ascolto mi appagano moltissimo.
Purtroppo non ho ne i mezzi ne la capacità di fare dei test affidabili per confrontare l'utilizzo di questi ampli tra il multiamp e fullrange....magari ne viene fuori qualcosa di buono.

[alfredop]

Quindi il mio amplificatore con 60W su 8 Ohm e 80W su 4 Ohm non ha prestazioni particolarmente esaltanti da questo punto di vista. D’altra parte non ho mai portato il potenziometro del volume al più del 40% del massimo (se lo faccio esco dai limiti condominiali), quindi probabilmente non arrivo comunque al livello di clipping.

Tra l’altro le mie casse attuali (Klipsch RF-52) hanno una impedenza nominale di 8 Ohm, mentre le Whaferdale Linton che ho adocchiato hanno una impedenza nominale di 6 Ohm, ed una impedenza minima di 3.5 Ohm (sul datasheet delle Klipsch l’impedenza minima non è indicata), quindi facendo il cambio rischierei di più il clipping?

Inoltre, in questo ragionamento, dove entra il fatto che le Klipsch hanno una sensitività superiore?

Alfredo

[MarioBon]

Per prima cosa si dovrebbe procurare una misura dell'impedenza delle Klipsh perchè dei dati dichiarati e meglio non fidarsi troppo (spesso viene dichiarata l'impedenza "media" mentre quella che interessa è l'impedenza minima).

Per il suo ampli 80/60 fa 1.333 quindi non è poi così male. Tuttavia e meglio scegliere dei diffusori con dei minimi di impedenza più altri.

Come ho scritto il modo per ottenere un buon funzionamento dell'amplificatore è non portarlo a clippare e se i diffusori producono un SPL più alto richedono meno potenza.

[Damiano Piccolo]

Gentile Mario Bon,
vorrei riprendere questa interessante discussione di qualche anno fa e che ho trovato recentemente; ho qualche domanda in merito.
Lei fa una classificazione della qualità degli amplificatori, sia valvolari, sia stato solido, in base alla potenza restituita in funzione delle variazioni della parte resistiva del carico.
Ad ogni modo, questa valutazione è basata su condizioni di carico limite, cioè in prossimità del clipping dell'amplificatore.
Quindi chiedo: nelle condizioni di normale ascolto (ben lontano dal clipping), ha senso questa valutazione dell'aumento della potenza in funzione della diminuzione della parte resistiva del carico? In questa condizione non limite, in cui c'è ampia riserva di potenza da parte dell'amplificatore, non è piu che sufficiente un fattore di smorzamento decorosamente elevato a garantire una certa immunità al carico? Lo smorzamento elevato suppone una bassa impedenza di uscita, e quindi tensione di uscita pressoché costante al diminuire del carico (e potenza che approssima il raddoppio al dimezzare del carico).
Questo ragionamento è errato? Oppure sono due valutazioni in regimi distinti, uno in condizioni normali e uno in condizioni limite?
Grazie anticipatamente, buona serata.

[MarioBon]

Purtroppo, nelle normali condizioni d'uso, gli amplificatori clippano abbondantemente. Questo vale per tutti coloro che non dispngono di amplificatori con potenza sovra abbondante. Uno dei motovi che porta a preferire gli amplificatori a valvole poco retroazionati è proprio la diversa gestione del clipping (clipping morbido).

Anche se l'ampli non raggiunge il clipping resta la dipendenza della tensione di uscita dalla impedenza del carico. Un amplificatore si trova a pilotare un carico che a una certa frequenza richiede forte corrente e ad altre correnti molto meno intense. Il comportamento dell'ampli è condizionato da quella unica frequenza che richiede più corrente e che produce la variazione (in riduzione) della tensione di uscita. Il risultato è distorsione per intermodulazione (quella che non viene misurata).

Affinché un amplificatore raddoppi la potenza al dimezzamente del carico
- il fattore di smporzamente deve essere basso
- i dispositivi di uscita devono erogare la corrrnete che serve (e questo vale anche per gli stadi pilota)
- l'alimentazione deve essere in grado di erogare la corrente che serve senza ridurre la tensione
- deve essere stabile anche su carichi bassi
- le tensione sul carico non dipende dal carico (che è quello che interessa).

Poter erogare potenza in funzione del carico significa garantire l'indipendeza della tensione rispetto alle variazioni di impedenza del carico e questo è particolarmente importante quando gli altoparlanti hanno impedenza variabile con minimi bassi (inferiori a 3.2 Ohm sono fuori norma). Molti sistemi di altoparlanti presentano minimi a 2 Ohm o anche meno. Va detto che non ha importanza a quale frquenza si osserva il minimo di impedenza.

Quando l'amplificatore deve pilotare un altoparlante con impedenza puramente resistiva (come un AMT o un isodinamico o una KEF 104) l'indipendenza della tensione di uscita rispetto alla variazione del carico è garantita (e non ha più importanza).

In sostanza quello che serva è che la tensione di uscita sia indipendent dal carico. Dato che nessuno fa questa misura si deve per forza valutare la potenza erogata in funzione del carico.
Sorvoliamo sul fatto che alcuni amplificatori si autodichiarano instabili sul carico da 2 Ohm. C'è chi li usa, lasciamoli fare.

[Damiano Piccolo]

Chiarissimo, niente da chiedere ulteriormente.
La ringrazio davvero.