SIMULAZIONE DI DISTORSIONE ARMONICA - Finale di Potenza

Attenzione: Per una migliore lettura scaricatevi il file PDF nella sezione download.

Nella terza parte sulla distorsione armonica vi vorrei riportare le prove che ho effettuato studiando un finale di potenza a MosFet in configurazione push-pull con ottime caratteristiche dichiarate: potenza 100 watt su 8 ohm oppure 140 watt su 4 ohm, rapporto segnale/rumore (105 dB), risposta in frequenza (10-80.000 hz) e distorsione armonica totale (THD=0,02%).

Avevo notato che il finale scelto con due Mos in classe AB si presenta come un operazionale (circuito integrato) di potenza, o se vogliamo, un operazionale è molto simile ad un finale di potenza di questo tipo erogante però solo poche decine di milliwatt.

Da qui è scattata la sfida di ricreare quello che è già stato fatto per la parte di preamplificazione anche sul circuito del finale.

Naturalmente quello che vi mostrerò è solamente un esempio di distorsione armonica di un finale di potenza, saranno senz'altro ottimizzati, in futuro, i livelli delle armoniche presenti ma i risultati ottenuti sono già soddisfacenti.

Occorre notare che il test è stato effettuato non su un carico resistivo da 8 ohm ma sui valori veri presi dalla scheda dell'altoparlante scelto per ricreare la simulazione più vicina possibile alla realtà.

I risultati sono stati paragonati a dei test effettuati alcune settimane fa su un piccolo finale di potenza da 5W in classe A utilizzante una pentodo di tipo EL84 ampiamente conosciuto.

Occorre ricordare che i finali valvolari in classe A raramente arrivano a 30 watt poiché per il tipo di circuito occorre alimentare la valvola con una corrente di polarizzazione di una certa entità anche a riposo e quindi l'elemento attivo, in questo caso l'EL84, deve dissipare molta potenza e quindi calore anche quando non stiamo suonando.

Quando invece facciamo vibrare le corde del nostro strumento, l'energia necessaria a far muovere il cono viene prelevata dal pentodo che in questo modo tende a raffreddarsi.

Tra gli svantaggi di questa configurazione, infatti, abbiamo il basso rendimento, il calore sviluppato e la scarsa durata della nostra valvola finale.

Ritornando ai nostri mosfet, è probabile che nessuno abbia ancora sviluppato un finale di potenza con simulazione in classe A da 100 watt.

Riprendendo il tipo di rappresentazione grafica già utilizzata nella seconda parte di questo trattato vi mostrerò i risultati ottenuti con l'utilizzo del software Microcap già citato nella prima parte senza mostrarvi le vere pagine create dal programma per non appesantire e quindi complicare la spiegazione.

Per ogni tipo di circuitazione ho disegnato due grafici elaborati tramite foglio elettronico dei dati già acquisiti in cui sul primo abbiamo in ascissa la tensione d'ingresso con il suo valore picco-picco, cioè dal suo massimo valore negativo al massimo valore positivo e che varia da 1 a 20 V, mentre in ordinata abbiamo la tensione in uscita come valore di picco (in assenza di distorsione esattamente la metà di quella picco-picco).

La semionda positiva che è la parte visualizzata sopra la linea di riposo è rappresentata da una curva rossa, la blu rappresenta la semionda negativa e la curva nera è la fondamentale che stiamo suonando.

Il secondo grafico riporta in ascissa sempre la tensione in ingresso nel suo valore picco-picco, mentre sull'ordinata abbiamo la distorsione espressa in percentuale con la curva nera che rappresenta l'andamento della distorsione armonica totale (THD), la rossa rappresenta la distorsione della seconda armonica (distorsione valida), la verde quella della terza armonica (distorsione non valida), la blu la quarta armonica (distorsione valida) e infine la viola la quinta armonica (distorsione non valida).

Finale di potenza a MosFet da 100 watt nella classica configurazione push-pull:

Questo tipo di circuitazione, in push-pull, è stata studiata per garantire elevate potenze, buoni rendimenti, basse distorsioni, elevata dinamica, buona risposta in frequenza e basso rumore e deriva fondamentalmente dalla circuitazione push-pull usata nei valvolari di media-alta potenza.

La caratteristica fondamentale di un ampli simile è quella di mantenere la distorsione armonica totale al minimo valore possibile cercando quindi la risposta più fedele in assoluto sia in frequenza con la riproduzione di tutte le armoniche presenti, sia in ampiezza con un amplificazione il più possibile costante dei segnali a basso, medio o alto livello.

Una volta però arrivato il circuito al suo limite naturale dettato dalla tensione d'alimentazione, inizia l'inevitabile saturazione che entra prepotentemente con un pizzico di segnale in più ed è caratterizzato dall'assoluta predominanza d'armoniche dispari che sono le responsabili della cattiva distorsione del suono.

Questo improvviso clipping sul segnale ci obbliga ad abbassare il volume e quindi con strumenti caratterizzati da suoni molto percussivi e quindi da picchi importanti sul segnale com’è la chitarra elettrica, non si riesce quasi mai a sfruttare tutta la potenza del finale e per questo ci sembra che un valvolare di pari potenza suoni molto più forte di un corrispondente a transistor.

Osservando il grafico sotto riportato la prima cosa che si può notare è l'assoluta rettilineità e sovrapposizione tra le tre curve almeno fino ad un ingresso di 2,6 Vpp a cui corrisponde una potenza stimata di oltre 110 watt.

Questo sta significando che non v'è nessun tipo distorsione d'ampiezza.

Aumentando però il segnale in ingresso notiamo che mentre l'ampiezza della fondamentale (linea nera) aumenta ancora per un po' per poi raggiungere i 55 Volt, quella delle due semionde raggiunge i 50 Volt.

Nell'analisi dell'armoniche si nota che la distorsione rimane molto prossima allo zero fino ad un segnale di 2,6 Vpp per poi aumentare in maniera perentoria con una distorsione armonica totale caratterizzata soprattutto dalla 3° armonica (linea verde) che può superare il 33%, ma anche dalla forte presenza della 5° armonica (linea viola) che può superare il 19%.

Si può raggiungere un picco teorico di oltre 180W rms con distorsione armonica totale del 42% ma senza che né la seconda, né la quarta armonica raggiungano mai il 2%.

Occorre quindi tenersi alla larga da questa zona per evitare la brutta distorsione che ne deriva.

Si possono infine notare le forti analogie tra questi grafici e quelli della seconda parte che trattano dell'integrato LF351 con alimentazione e circuito standard.

Finale di potenza a MosFet da 100 watt in push-pull con Ambrosi-class-A:

Nel creare una distorsione armonica diversa da quella prima descritta sono intervenuto anche sulla risposta in frequenza del finale che è passata dai 10-80.000 hz prima dichiarata, più adatta ad un circuito per alta fedeltà, ad una più ristretta di 35-16.000 hz per limitare l'effetto di alcune frequenze fuori banda ma con la possibilità tramite un interruttore di attivare o no un boost di +6dB a 7.500hz che dona se necessario un po' di brillantezza in più al suono.

Mentre con un altro interruttore si può passare dalla classe AB alla classe A e viceversa disponendo quindi di 4 modalità di funzionamento del finale di potenza.

In classe A non abbiamo più la linearità di risposta in ampiezza della classe AB ma possiamo ottenere una compressione del suono che lo arricchisce armonicamente.

Analizzando la figura sotto riportata si nota che la semionda negativa è meno amplificata della semionda positiva.

Tale risultato ci fa assomigliare questo grafico a quello del circuito con LF351 con la speciale controreazione della seconda parte.

Nel grafico dell'armoniche si nota che già per piccoli segnali in ingresso otteniamo un segnale molto ricco della seconda armonica che arriva a superare il 38% contro il 16% della terza, l'24% della quarta e il 7% della quinta.

Con ingresso a 2,0 Vpp otteniamo un 17% di 2° armonica, un 0,9% di terza, 0,3% di quarta e un 2,1% di quinta armonica con THD leggermente oltre la soglia del 17% e potenza teorica in uscita di 45 watt quindi inferiore alla potenza della classe AB.

Fino a valori d'ingresso di 4 Vpp comunque abbiamo la seconda armonica più forte della terza ma ci troviamo già a livelli di potenza di circa 95 watt rms.

Anche in questo caso otteniamo dei picchi di potenza di quasi 160 watt ma con una discreta presenza d'armoniche pari.

Questa è una distorsione molto valida che ci arricchisce il nostro suono.

Finale di potenza a pentodo EL 84 da 5 watt in classe A:

In questa valvola la semionda negativa è amplificata in misura maggiore di quella positiva che raggiunto il suo massimo ridiscende come la fondamentale mentre quella negativa rimane costante.

I 5 watt dichiarati sono riferiti ad una distorsione di circa l'8% ma la massima potenza erogata, in linea teorica è di oltre 7 watt con il 27% di THD e quindi oltre il valore nominale.

Detto questo si può intuire il perché un 5 watt valvolari ci suonino più forte di un 5 watt a transistor.

Nell'analisi del grafico sotto riportato si nota l'andamento più lineare delle varie curve, rispetto alla simulazione non valvolare e la presenza maggiore della seconda armonica che può superare il 56% con un THD al 64%.

C'è una buona presenza anche della quarta armonica che supera il 22% e della 5° armonica che supera il 16%. Meno presente la terza armonica che supera il 15% per poi ridiscendere.

E' da considerare che questi dati sono migliori della simulazione poiché è stato utilizzato un componente che già naturalmente svolge questo compito con una circuitazione che ne esalta questa caratteristica.

Conclusioni finali: come si può notare, è errato affermare che i transistor distorcono d'armoniche dispari mentre le valvole di quelle pari, in realtà è vero che la seconda e quarta armonica in un transistor sono poco presenti, mentre la terza armonica e la quinta sono ampiamente presenti in una valvola soprattutto con segnali in ingresso molto alti.

E' il mix d'armoniche pari e dispari in una valvola che ci fa apprezzare di più o di meno un certo suono rispetto a un altro, cosa praticamente inesistente in un ampli a stato solido sempre che non abbia il circuito di mia creazione.

E' quindi meglio, per ottenere una buona distorsione limitare al minimo l'utilizzo di pedali boost e non porre i gain dell'amplificatore a manetta.

Le differenze che ancora ci sono tra un pentodo di potenza e un circuito con simulatore sono da considerare dal punto di vista della simulazione di una classe A fatta con una classe AB attraverso l'utilizzo di componenti che tendono a comportarsi in maniera completamente diversa e senza nessuna ottimizzazione del circuito che richiede molto tempo, ma che potrebbe dare grosse possibilità di miglioramento.