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Sono diverse le misure che si possono eseguire su un amplificatore audio, tra le più importanti riguardano la massima potenza erogabile su un determinato carico e a una frequenza di riferimento, la banda passante, la distorsione armonica (talvolta quella da intermodulazione) ed il rapporto segnale/rumore (S/N ratio). Un’altra misura sicuramente importante, della quale peraltro ci occupiamo in questo articolo, è quella del fattore di smorzamento, un parametro che è direttamente correlato al valore della resistenza di uscita. Mentre un amplificatore ideale presenta una resistenza di uscita nulla per qualsiasi frequenza, nel caso reale una certa resistenza, seppur piccola, è sempre presente. Quest’ultima si somma alla resistenza dei cavi di collegamento (interni ed esterni alla cassa acustica) e alla resistenza del filtro crossover, influenzando il controllo degli altoparlanti da parte dell’amplificatore, oltre che la potenza elettrica trasferita.
Fig. 1
La presenza di queste resistenze (si veda la Fig. 1) incide sulla qualità sonora in diversi modi: il primo effetto, di facile intuizione e correlato alla Legge di Ohm, è che parte della tensione erogata dall’amplificatore non giunge all’altoparlante a causa delle cadute di tensione sulle resistenze che dipendono dalla corrente circolante, a sua volta dipendente dall’impedenza dell’altoparlante che non è costante al variare della frequenza.
Anche solo mezzo ohm di resistenza comporta un’attenuazione di 1 dB su un carico di 4 ohm ed essendo questo valore variabile a seconda della frequenza, lo sarà anche l’attenuazione. Queste resistenze aggiuntive hanno anche effetto sulla capacità dell’amplificatore di accelerare e frenare la membrana dell’altoparlante, che si comporta come una massa con una certa inerzia: da qui deriva il termine “fattore di smorzamento”; il suo valore è determinabile come rapporto tra l’impedenza nominale dell’altoparlante e l’impedenza totale della sorgente che pilota l’altoparlante.
Fig. 2
In Tabella 1 riportiamo i tipici valori di smorzamento riscontrabili negli amplificatori.
Il concetto di smorzamento si comprende considerando che l’altoparlante è elettricamente un sistema RLC, quindi un circuito risonante, che trova il suo analogo nella parte meccanica, rappresentata da una massa (quella dell’equipaggio mobile) da una capacità (l’elasticità e cedevolezza delle sospensioni) e da una resistenza, che è propriamente l’attrito; ebbene, la resistenza interna dell’amplificatore finale se è troppo alta smorza più lentamente i transienti e se è bassa li spegne prima. Tipico è il comportamento in risposta a segnali ad onda quadra, che rappresentano il test di stabilità per eccellenza.
Alto fattore di smorzamento significa, quindi, precisione nella riproduzione sonora, soprattutto di segnali ad alta dinamica e impulsivi, come ad esempio i suoni delle percussioni.
Tabella 1
Misura del fattore di smorzamento
Per la misura del fattore di smorzamento è necessario sollecitare l’ingresso dell’amplificatore con un segnale sinusoidale alla frequenza di test e misurare la corrispondente tensione in uscita a vuoto e con un carico noto, nel nostro caso una resistenza da 8 ohm che chiameremo Rl (come evidenziato in Fig. 2). Per ciascuna frequenza di misura avremo una tensione a vuoto V1 ed una tensione a carico V2, dalle quali è possibile determinare sia il fattore di smorzamento (Dumping Factor, in inglese…) che il valore della resistenza di uscita, con le seguenti formule:
Per poter leggere la tensione in uscita con estrema risoluzione in un range di frequenze compreso tra 20 e 20 kHz, il classico multimetro non risulta adeguato e l’oscilloscopio è da scartare per via della bassa risoluzione nella misura della tensione, in quanto l’ADC interno è normalmente di soli 8 bit. La scelta ottimale è l’utilizzo di una scheda audio che, anche nelle versioni più economiche, non scende sotto i 16bit di risoluzione; inoltre rende possibile gestire sia la generazione che l’acquisizione dei segnali.
La scheda audio dovrà produrre un segnale sinusoidale alla frequenza di prova e leggere il relativo segnale in uscita, che però risulta di ampiezza troppo elevata per l’ingresso della scheda audio, pertanto sarà necessario anteporre un attenuatore formato da un semplice partitore di tensione con due resistenze da 1K e 10K come in Fig. 3.
Fig. 3
La misura è suddivisa in due fasi: una prima fase senza carico, come nello schema applicativo riportato in Fig. 4, ed una seconda fase in cui viene applicato un carico resistivo (RL) del valore di 8 ohm.
Non è possibile utilizzare come carico le casse acustiche, perché la loro impedenza è di tipo complesso (presenta una componente induttiva e capacitiva) e variabile con la frequenza; insomma, non è una semplice resistenza ma un’impedenza vera e propria.
Se la lettura della tensione in uscita verrà effettuata ai capi dei morsetti dell’amplificatore misurerete il fattore di smorzamento (e quindi Rout) del solo amplificatore, mentre se i collegamenti verranno effettuati a valle dei cavi di collegamento che normalmente usate per connettere le casse acustiche, avrete un’informazione più completa sulla qualità del vostro impianto di riproduzione.
Non è possibile misurare anche la resistenza del crossover, se non manomettendo le casse acustiche.
Fig. 4
Fig. 5
Configurazione scheda audio
La scheda audio integrata nel PC va benissimo, ma se avete paura di danneggiarla a causa di un collegamento errato, potete acquistarne una esterna da connettere via USB al PC ad un costo irrisorio.
Prima di procedere con la misura dovrete configurare opportunamente la vostra scheda audio; faremo riferimento all’utilizzo del sistema operativo Windows 10. Per quanto riguarda l’ingresso (microfono) è opportuno configurarlo per un basso guadagno per evitare che lo stadio di ingresso vada in saturazione, come si vede in Fig. 5.
Per quanto riguarda l’uscita è invece importante sia la più elevata possibile, si veda la Fig. 6.
Fig. 6
Il software
Per eseguire la misura in modo automatico abbiamo sviluppato un apposito software sviluppato in C#. Dopo aver installato e configurato il software dovrete selezionare il vostro dispositivo di input e di output, abilitare la cattura e la generazione del segnale di prova per verificare il livello in ingresso, è ottimale quando si attesta attorno i -3dB, eventualmente regolate il livello di uscita dal software oppure dal vostro impianto. Selezionate sulla destra se volete misurare il fattore di smorzamento o la resistenza di uscita, verificate che tutti i collegamenti siano a posto, quindi avviate la misura (Fig. 7). In alto a destra verrà visualizzato lo stato di avanzamento con la frequenza di test; ed in pochi secondi la prima fase sarà conclusa.
Terminata questa fase (Fig. 8) un messaggio vi avviserà di collegare il carico resistivo in uscita dall’amplificatore: confermate ciò con il pulsante OK, ancora pochi secondi e la misura sarà conclusa, se non ci sono stati errori comparirà un grafico con i valori misurati.
Fig. 7
Fig. 8
In Fig. 9 il risultato di un tipico amplificatore a stato solido ad elevata retroazione; notate come il fattore di smorzamento tenda a diminuire con l’aumentare della frequenza e ciò indica che lo stadio di uscita ha una resistenza che aumenta per frequenze elevate. In genere è preferibile amplificatori con retroazione più contenuta ed un fattore di smorzamento più basso ma costante al variare della frequenza.
Ricordiamo, infine, che la misura è sensibile ai collegamenti di massa, pertanto è consigliabile utilizzare un portatile alimentato a batterie sconnesso dall’impianto elettrico di casa. La resistenza di uscita di un amplificatore oltre a variare con la frequenza dipende dal punto di lavoro dei transistor finali, pertanto potreste trovare valori diversi a seconda dell’ampiezza del segnale di test.
Amplificatori valvolari a parte, un qualsiasi componente a stato solido presenta comunque un fattore di smorzamento sufficientemente elevato da non inficiale le prestazioni finali del sistema; semmai è il caso di curare attentamente il collegamento tra l’amplificatore e le casse acustiche utilizzando buoni connettori e cavi di qualità, così come è importante che i collegamenti interni delle casse acustiche, compreso il crossover, siano di qualità. Nel nostro amplificatore usato come cavia la resistenza di uscita si mantiene sotto gli 0,02ohm fino a 2KHz, valore più che rassicurante.
Fig. 9
Fig. 10
