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LA FAVOLA DEL SINGLE ENDED O UN SINGLE ENDED DA FAVOLA? PER CHI NON VUOLE FARSENE UNA RAGIONE

In questa pagina (74) si parla del SINGLE ENDED CLASSE A con carico RESISTIVO e si spiega come la corrente a riposo Ip (primo grafico di sinistra) nel dispositivo amplificatore [PARLANDO DELLA MASSIMA POTENZA DI USCITA SFRUTTABILE] e' da picco a picco 2 volte la corrente di polarizzazione a riposo (a riposo: senza segnale di ingresso, quando la linea e' orizzontale). Tenendo fisso il punto di lavoro nel punto Ip , si sfrutta la potenza massima disponibile. Nessuno vieta che questo punto sia spostato piu' in basso, non  sfruttando la massima potenza possibile. Lo stadio comunque rimane SEMPRE in CLASSE A, solo che ad un certo livello, distorcera' la forma d'onda nella parte inferiore e non si sfrutta la potenza massima che il dispositivo sarebbe in grado di dare con quell'alimentazione. Vedi FIG. A qui sotto

In questo caso infatti, non siamo in CLASSE AB come spiegato in FIG. 3 piu' avanti, perche', essendo un singolo stadio,  non esiste un secondo transistor che e' in grado di amplificare la parte sotto mancante come avviene per un push pull con 2 transistor che amplificano ognuno una semionda Vedi FIG. B qui sotto.

In un amplificatore in classe AB un transistor amplifica la semionda positiva e l'altro quella negativa. Per evitare la distorsione di incrocio, i due transistor vengono polarizzati in modo minimo (Ic0). Questa polarizzazione non cambia nel tempo. Vedi FIG. C qui sotto.

 

pag.75

FIG. C

 

Pag. 75: In questa pagina si calcola il rendimento dello stadio amplificatore con carico RESISTIVO che, come si sa, arriva al massimo al 25 %, ma attenzione: SOLO ALLA MASSIMA POTENZA. A potenza piu' bassa, il rendimento scende paurosamente.

Se invece, lo stadio e' accoppiato al carico di uscita con un trasformatore il rendimento massimo sale al 50 %, perche' NON c'e'  dissipazione di potenza sulla resistenza di carico RC che, in questo caso, connessa a valle del trasformatore, non e' interessata dalla corrente continua di collettore. Quindi NON Si perde potenza a riposo (cioe' quando non c'e' segnale in ingresso, si perde solo un minimo dovuto alla caduta sulla resistenza del primario del trasformatore - quindi molto bassa e normalmente trascurabile - vedi circuito equivalente per la continua (CC) dove sul collettore del TR non c'e' nulla) 

Si deve sempre tenere conto che quando si parla di rendimento, si parla del singolo stadio NEL RAMO di USCITA e che il dispositivo utilizzato ha di solito dei limiti dovuti alla perdita di potenza in zona di saturazione. In pratica, la retta di carico (quella obliqua) non e' mai completamente sfruttabile, facendo scendere l'efficienza massima ad un valore piu' basso.

In un amplificatore valvolare p.e. esiste anche la potenza persa per riscaldare i filamenti, quindi nel conto totale andrebbero prese in considerazione anche quelle perdite, oltre a saturazioni peggiori che sfruttano meno il dispositivo. Un valvolare a singolo stadio in Single Ended a triodo o a pentodo, caricato a trasformatore di solito non supera mai il 25% di efficienza anche se la teoria ne calcola il 50 %. Questo lo dice anche il RIDER a pag. 267

 

pag.76 - Push Pull in Classe AB

Abbiamo accennato prima come funzioni un push- pull in classe AB. In questa pagina a lato viene spiegato piu' a fondo il funzionamento.

L'efficienza di un push-pull in classe AB arriva al teorico 78% come qui lateralmente detto (e' dimostrabile matematicamente, ma ve lo evito). In questa tipologia circuitale pero' i transistori finali sono utilizzati come EMITTER FOLLOWER o meglio in italiano a COLLETTORE COMUNE (perche' il collettore e' in comune tra la base e l'emettitore sul trasferimento del segnale tra ingresso ed uscita)

In un Single ended il terminale comune invece e' L'EMETTITORE. Infatti la connessione si chiama ad EMETTITORE COMUNE.

Sia ad emettitore comune che a collettore comune il circuito puo' funzionare in diverse classi:

1 - classe A

2 - Classe AB

3 - Classe B

4 - Classe C (solo emettitore comune)

a secondo di come sia scelto il punto di lavoro.

La mia dizione che un SINGLE ENDED puo' solo lavorare in classe A (nella descrizione del BLU EYES) si riferisce al campo audio, dove, praticamente non si trovano così facilmente Single Ended in classe AB. Oggi forse nelle applicazioni dei tubi elettronici con funzionamento come per fig. 2 pag.95 piu' avanti riportata, si ha la possibilita' di avere un controfase in classe AB.

vediamo quindi di riassumere le CLASSI di funzionamento:

 

 

CLASSI di FUNZIONAMENTO - FIG.1

la polarizzazione di ingresso e' diversa a secondo della classe di funzionamento.

 

CLASSI di FUNZIONAMENTO

FIG.2 in CLASSE A la corrente di segnale sul collettore (Ic)  non si annulla mai, cioe' non arriva mai a ZERO, cioe' non tocca mai la linea orizzontale "t". Conduzione del/dei dispositivi per 360° elettrici

 

FIG.3 In CLASSE A-B la corrente di segnale sul collettore puo' azzerarsi in parte e venire a mancare. Conduzione del/dei dispositivi tra 360° e 180° elettrici. Si necessitano 2 dispositivi amplificatori, uno per la semionda positiva ed uno per la negativa.

 

FIG.4 In CLASSE B la corrente di segnale puo' essere o solo positiva o solo negativa, cioe' manca meta' della forma d'onda. Conduzione per 180° elettrici. Si necessitano 2 dispositivi amplificatori, uno per la semionda positiva ed uno per la negativa.

 

FIG. 5 In CLASSE C la corrente di segnale sul collettore e' INFERIORE a 180° elettrici. Uso per amplificatori a radiofrequenza in FM. In AM si va in CLASSE A anche in radiofrequenza.

 

 

pag. 95 - SINGLE ENDED in CONTROFASE in CLASSE A accoppiato a trasformatore

La cosa interessante sarebbe quella di conoscere quale sia l'efficienza di un SINGLE ENDED in controfase, ma di questi ne esistono di molti tipi e possono funzionare sia in classe A che in classe AB.

Il BLU EYES non e' esattamente il circuito sopradescritto, ma bensì la struttura da me scelta e' questa che riporto qui sotto in FIg. 6 che, così come e', non viene riportata in nessun testo di elettronica (vedi anche circuito equivalente ed altre spiegazioni verso un push pull). Il circuito infatti, e' ad una sola batteria rispetto a massa (VCC) e con condensatore di uscita verso il carico (altoparlante). La polarizzazione di base inficia SEMPRE entrambi i transistori e ne sposta automaticamente il PUNTO DI LAVORO. La RC (da 0,05 ohm) che vedete sullo schema, come piu' avanti spiegato, e' stata aggiunga di proposito per poter misurare la corrente di riposo e verificarne poi l'andamento in presenza di segnale. Nel normale funzionamento non c'e', mentre il condensatore di uscita serve a due cose:

1 - semplificare il trasformatore per poterlo utilizzare come AUTOTRASFORMATORE

2 - il condensatore di uscita BLOCCA LA CONTINUA e quindi il trasformatore NON PUO' saturare. IN piu' si ha una protezione verso gli altoparlanti.

3 - In questa configurazione con una sola ALIMENTAZIONE (e non DUALE), il condensatore di uscita fa da BATTERIA, come il secondo condensatore di un'alimentazione DUALE.

4 - Utilizzando il trasformatore di uscita come autotrasformatore si ottengono 2 peculiarita' importanti:

4.1 - Il nucleo necessario e' piu' piccolo. Strutturando bene la cosa, la banda passante si allarga.

4.2 - la forza del BLU EYES sta nell'avere un autotrasformatore che ha 50 possibilita' di regolazione (vedi tabella piu' avanti). Nessun amplificatore al mondo ce l'ha. Se pensate che non servano cadete in un errore, piu' che grossolano. Il fatto che vi abbiano inculcato che non serva per ragioni di marketing o semplificazione della vita del progettista o di costi e' un discorso, ma il fatto che cio' veramente non serva e' ancora tutto da vedere (e lo vedremo piu' avanti).

FIG.6

 

Altra cosa interessante sarebbe quella di conoscere quale sia l'efficienza di un SINGLE ENDED in controfase come questo. La differenza sostanziale tra le due classi e' che in CLASSE A non si debba mai azzerare la corrente nei dispositivi di uscita (transistor o Mosfet che sia, come abbiamo visto piu' sopra), altrimenti si esce dalla classe di funzionamento e si passa in classe AB  o B. Quindi rimandiamo piu' avanti la questione rendimento e vediamo se l'amplificatore Blu Eyes lavora sempre in classe A secondo i canoni dell'elettronica sopraesposti. Quindi misuriamo la corrente nel ramo di uscita a riposo e verifichiamo che durante il funzionamento con il segnale, questa non si annulli mai. Per fare cio' ho inserito appunto una resistenza da 0,05 ohm (RC) sul ramo del transistor PNP dove e' possibile sia visualizzare la corrente e vederne l'andamento, sia misurarla, in funzione della potenza di uscita.

Ma ritorniamo un attimo a guardare la figura precedente (FIG.1 che ora riporto come FIG.7) per vedere dove deve essere il punto di lavoro per poter poi sviluppare una potenza in classe A. La cosa importante NON e' che il punto di lavoro sia FISSO nel punto A di Fig. 7, ma la cosa importante e' che nel NORMALE FUNZIONAMENTO a regime DINAMICO o statico che sia, il segnale (sinusoide in questo caso), non vada mai verso i punti chiamati AB (FIg. 7) dove la curva diventa quasi orizzontale. La cosa interessante e' che (FIG.8) i dispositivi da me utilizzati hanno una caratteristica PRATICAMENTE VERTICALE e non certo esponenziale come quella classica di un diodo come in FIG.7 (la caratteristica da me tracciata e' verso Ic e non verso Ib, ma Ic e' proporzionale a Ib in modo costante, quindi la stessa cosa). Cio' comporta una cosa fondamentale: MINOR DISTORSIONE (lo vedremo piu' avanti) e la possibilita' di eliminare l'eventuale controreazione locale e totale.

 

 FIG.7

     FIG.8 - amplificazione iniziale di un segnale di bassa potenza

Nel BLU EYES il punto di lavoro Q si sposta verso l'alto all'arrivo del segnale in ingresso. La polarizzazione dei finali viene  spostata e così pure il punto di lavoro di uscita.

La polarizzazione minima da me scelta, non va mai al di sotto del punto A di fig. 8 o fig. 9 (se anche ci andasse esiste ancora un margine prima della distorsione), e per il normale funzionamento, si deve per forza di cose spostare SEMPRE verso il punto A di FIG.7. La polarizzazione dei 2 transistor finali, e' misurata in fig. 10.

L'oscilloscopio TekTronix ed il multimetro Agilent a 6,5 cifre misurano la tensione di 3,05-3,06 millivolt   ai capi della resistenza da 0,05 ohm sul collettore del transistor PNP (Vr - vedi fig. 6), che significa che il valore della corrente costante che circola e' di: 0,00305 VOLT / 0,05 ohm = 70 milliampere. In pratica il punto Q effettivo dovra' stare SEMPRE AL DI SOPRA. Ed il punto di lavoro e' gia' in ZONA LINEARE (cioe' oltre il ginocchio della curva caratteristica, dove diventa diritta e quasi una retta verticale a 90° - cosa molto differente e migliorativa rispetto alla caratteristica di Fig.7 - in questo modo non verra' prodotta distorsione). Bene questo e' il primo passo. Beviamoci un aperitivo.

 

FIG.9

FIG. 10

misura del punto di lavoro statico: Punto di lavoro A di fig. 8

 

Andiamo ora a vedere come si muove questa corrente facendo lavorare l'amplificatore chesso' immettendo un segnale di 1 KHz classico. L'amplificatore sotto prova e' il BLU EYES EVOLUZIONE con BLU POWER La linea orizzontale sull'oscilloscopio in FIG. 10 ora prende circa la forma del segnale da amplificare.

 

FIG. 11FIG. 12FIG. 13

Vr sta sopra i 3 millivolt ed ha come minimo una tensione di 4,6 millivolt che significa che la corrente minima nel ramo di uscita e' addirittura salita e vale: 0,0046 volt / 0,05 ohm= 92 milliampere. Attenzione: la tensione VAC indicata dal multimetro e' la tensione di uscita dell'amplificatore che lavorando su 8 ohm sta producendo una potenza di 1,45 ^2 /8 = 0,26 Watt che e' visualizzata in figura 13

Volendo possiamo calcolare i punti di lavoro. I cursori orizzontali  dell'oscilloscopio segnano sempre il valore del punto A. Il punto B sta a 23 mV circa ed il punto Q circa a 13,5 mV che significa che la corrente al punto B e' di 0,46 A ed il punto Q e' a circa meta' tra A e B e cioe' a 0,27 A.

 

Ora in questa figura, il canale 2 dell'oscilloscopio,  indica la forma d'onda di uscita sul carico di 8 ohm. Il canale 1 indica sempre la forma d'onda della corrente nel ramo di uscita che abbiamo visto nelle figg. 11 e 12

 

 

 

NOTA: nelle misure non ci sono loop di massa come qualcuno in certe istanze ha presupposto su un forum (quando parlavo della controreazione). La massa dell'oscilloscopio e' connessa solo su VR. Se un progettista fa loop di massa nelle misure e' meglio che  si dia all'ippica e non alla realizzazione di amplificatori senza controreazione con 105 o 110 dB di rapporto segnale disturbo.

 

Eventuale polarizzazione in CLASSE AB

  

Se il funzionamento fosse stato in classe AB la forma d'onda misurata sarebbe stata piu' o meno come questa (da me ricostruita) in FIG. 13.1. Cioe' in corrispondenza della parte negativa del segnale di uscita ( transistor PNP che conduce) la corrente sul suo collettore aumenta SOLO in corrispondenza della sua semionda, nell'altra (semionda positiva del segnale di uscita dove conduce il transistor NPN) rimane nella condizione di polarizzazione minima (primi 5 quadretti a sinistra dell'oscilloscopio). All'aumentare della potenza di uscita la linea ORIZZONTALE rimarrebbe piu' o meno orizzontale, mantenendo costante la polarizzazione minima ed aumenterebbe solo l'ampiezza della gobba a destra.

 

FIG. 13.1

polarizzazione in CLASSE AB

FIG. 13.2

polarizzazione in CLASSE AB

 

 

 

 

Gia' ma quella e' una forma d'onda ricostruita al PC, l'avra' fatta di proposito rdc, per tirare l'acqua al suo mulino,

FIG. 13.3

 

Bene, ma sì dai, oggi ci vogliamo divertire, montiamoci questo amplificatore in classe AB ed andiamo a vedere la forma d' onda della corrente. Useremo gli stessi transistor, tariamo la corrente di riposo dei finali a 60 milliampere ed vediamo un po' la questione:

Ecco l'amplificatore montato:

FIG. 13.4

 

FIG. 13.5

misura del punto di lavoro statico: Punto di lavoro A di fig. 8

0,006 VOLT / 0,1 OHM = 60 milliampere

 

FIG. 13.6

con 0,5 Veff di uscita su 8 ohm (31 milliwatt in uscita), vediamo gia' che durante la conduzione del PNP la corrente sale, mentre durante la conduzione della semionda positiva amplificata dall'NPN, la corrente di polarizzazione tende a scendere sotto il livello minimo impostato. In questo caso scende a 50 milliampere

 

FIG. 13.7

bene, sembra che l'elettronica sia rimasta l'elettronica. A 2,83 Veff di uscita (1 Watt su 8 ohm), la corrente e' proprio come si diceva in Fig. 13.2. La polarizzazione e' scesa paurosamente a circa 20 milliampere (vedere punto di minima)  e  la forma d'onda di uscita e' per forza di cose perfetta, ma la conduzione e' in classe AB. La corrente nel ramo aumenta SOLO quando il ramo e' interessato ad amplificare il segnale, altrimenti nella zona non interessata, si abbassa. Penso sia inutile andare a vedere cosa succeda alla massima potenza...

Ma ora ritorniamo a noi, ritorniamo sul BLU EYES in CLASSE A PURA:

 

FIG. 14

 

FIG. 15

 

A circa 1 watt (2,83 Veff/8 ohm - vedi Fig. 14) le cose sono ancora migliorate. Il punto di lavoro A si e' spostato piu' su e VR vale 7,4 mV che significa che la corrente minima che scorre nel ramo di uscita vale: 148 mA (cioe' il punto di lavoro A minimo si e' spostato del doppio in alto, non in basso come succedeva per la classe AB). La corrente massima esce dalla parte superiore dell'oscilloscopio. Il canale 2 indica la sinusoide di 2,86 Veff, ed il frequenzimetro HP indica la frequenza di 1.000,002 Hz. uaau!!! che perfezione

 

E qui arriviamo al dunque: siamo a 50 watt (20 Veff/8 ohm). Ho visualizzato di proposito solo mezza semionda del segnale amplificato, in modo da avere una definizione maggiore dell'immagine. La corrente minima nel ramo di uscita e' di 184 milliampere (VR 0,0092 Volt / RC 0,05 ohm). Bene siamo in piena classe A. La corrente minima soddisfa molto di piu' di cio' che serve. La classe AB e' lontana e forse la si puo' vedere con un binocolo quando l'amplificatore uscira' dai canoni normali di funzionamento. E allora stasera ho imparato ancora qualcosa. MA NON E' FINITA QUI!!!

 

visto che in classe A ci siamo sempre, ci occuperemo di un altro paio di cose:

1 - Efficienza del sistema

2 - confronto di questo scarafone verso tutti gli altri amplificatori scarrrafoni che circolano in commercio (non quello che avete voi, no, quello e' il massimo della vita, ma parlavo di quello del vostro amico)

vediamo che succede con questa benedetta tecnologia inventata in Italia da rdc. Sta Italia, dove inventano tutto, hanno inventato anche l'alessi mercuzzi coi wurstel, e la simon sventura, ed i vari grandi fratelli ...per carita'...

 

comunque, ce n'e' ancora da far schiattare tutti i progettisti di audio del mondo e vediamo perche':

cercate di non svenire....

 

 

STRUMENTAZIONE utilizzata per le prove:

Multimetro digitale: AGILENT 34410 A – 6,5 cifre

Oscilloscopio analogico: TekTronix 2465 B – 400 MHz

Generatore: Rodhe Schwartz APN 04

Frequenzimetro: Hewlett & Packard 5315A

Prenderemo ora in considerazione l'amplificatore BLU EYES MONOBLOCK EVOLUZIONE 120 watt con ALIMENTAZIONE BLU POWER. In questo caso, ho voluto di proposito fare delle prove estreme aumentando la tensione di alimentazione fino al limite massimo ammissibile. Questo per studiare a fondo la questione e vedere dove ci si puo' spingere con soli 4 transistor di uscita. Con queste potenze in gioco pero' (ed ora vedrete dove si arrivera') la condizione ottimale e' quella di avere 3 transistor in parallelo (6 in totale per canale, sì, no, non 50 per canale come fanno tanti). Comunque vediamo un po' che succede:

 

MISURE DI EFFICIENZA

 

FIG. 16 - BLU EYES MONOBLOCK 120 - schema a blocchi

 

Prendo in esame il BLU EYES 120 MONOBLOCK di cui riporto sempre il circuito di uscita, (che poi e' esattamente come lo vedete). Per fare le misure di efficienza ho aggiunto un condensatore da 22 mila microfarad in parallelo alla RC. Questo serve per diminuire il segnale sinusoidale e facilitare la misura del valore medio della corrente nel ramo. Garantisco che il risultato NON CAMBIA.

FIG. 17 - BLU EYES MONOBLOCK 120 - misure di efficienza.

per misurare l'efficienza ottenuta alla massima potenza e' molto semplice. Si misura quanto e' la potenza di uscita e quanto invece e' quella consumata dall'alimentatore e si fa il rapporto in base 100. La misura e' fatta sullo stadio di uscita caricato ad 8 ohm. Nell'esempio la potenza di uscita in assenza di distorsione su 8 ohm e' di 121,83 watt, mentre la potenza consumata e' di 177,7 watt con un rendimento di circa il 68,5 %. in questo caso la polarizzazione dei transistor e' quasi massima, ma non proprio, ci sono ancora margini di manovra e vediamoli...

 

il rendimento alla massima potenza e' approssimabile a quello di un classe AB, ma per la conformazione del circuito, siamo in piena classe A. Anche il fattore di merito e' buono perche' i transistor, scaricano la potenza assorbita sul carico, durante l'amplificazione del segnale. 

perche' ce n'e' ancora da far schiattare i progettisti di audio del mondo?

bhe vediamo perche':

 

Il carico e' di 6 ohm, ma attenzione, l'uscita del trasformatore e' cambiata, cioe' e' quella che e' in grado di dare 120 watt su 6 ohm (nella foto prima l'uscita era la 0A del trasformatore di fig. 16; ora invece per caricarlo a 6 ohm ho scelto l'uscita 8-9 carico nominale 5 ohm): guardate le forme d'onda per favore

FIG. 18

 

qui sotto (fig. 19) siamo a 160 watt e la forma d'onda si arrotonda solo leggermente e a 190 watt ci sta chiedendo se dobbiamo berci un caffe'... caricando a 5 ohm la potenza e' leggermente piu' alta

avete mai visto un valvolare (gli stato solido non prendiamoli neppure in considerazione, sarebbe un'offesa) che distorce così poco a circa il 60 % in piu' della potenza di targa?

ecco, mi raccomando, non fate paragoni, ne' con gli stato solido scarafoni del commercio che segano in orizzontale in alto ed in basso, ne' con i valvolari a mono triodo da 2,9999988 watt per canale del giapponese di turno, che, dopo tutti quelli che ho misurato, nessuno e' in grado di dare circa il 60 % in piu' di potenza con questa pulizia. Questa distorsione, se vi interessa saperlo, in regime dinamico, NON e' molto udibile. o meglio la distorsione piu' elevata in questo caso e' data dal movimento della membrana dell'altoparlante (troppo elevata) piu' che dal fatto che la forma d'onda sia arrotondata. ma...

FIG. 19

  

vediamo cosa succede oltre questo limite..... miiii, ma qui non c'e' limiteeeeeeee

FIG. 20

bene, abbiamo superato pure i 200 watt e la forma d'onda non da' segni di SEGAMENTO orizzontale puro e con soli 4 transistor di uscita da 1 euro, un trasformatore di ingresso ed uno di uscita progettati dal sottoscritto e non fatti sulla luna, in classe A PURA SEMPRE, senza controreazione e con bassa distorsione anche a potenze del 70 % oltre il limite... e senza quintali di alette di raffreddamento... e con rendimenti che arrivano quasi al classe AB.

scusate se e' poco

qualcuno sta gia' pensando: ma il mio amplificatore, se dimezzo il carico (non e' riferito tanto all'esempio dei 200 watt qui sopra), raddoppia la sua potenza di uscita. Quindi il mio va meglio...

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