DIFFERENZE INTERCORRENTI TRA CLASSI DI FUNZIONAMENTO A. AB E B E LORO CORRELAZIONI CON LE ARCHITETTURE CIRCUITALI SINGLE ENDED E PUSH PULL NEGLI AMPLIFICATORI VALVOLARI
Molte volte mi sono sentito rivolgere domande sull'argomento, sul quale sia chitarristi elettrici che audiofili sono spesso confusi.
Per intenderci, pragmaticamente poniamo alcuni paletti, indispensabili alla comprensione anche da parte di chi, pur non avendo esperienza in elettronica, sia interessato, a vario titolo, a capire sostanzialmente di cosa si stia parlando.
1) Ogni sistema di amplificazione audio, a stato solido, valvolare o ibrido che sia, è composto, sempre, da una cascata in successione di stadi elementari, ognuno dei quali contribuisce, per una relativa quota parte, all'amplificazione del segnale posto in ingresso al sistema e che. prelevato alla sua uscita, sarà in grado di pilotare un sistema di altoparlanti.
2) Il segnale che viene applicato all'ingresso del sistema di amplificazione è sempre di tipo periodico.
Da dove origina questo segnale? Prendiamo in considerazione un corpo elastico in stato di riposo (ci vuole un esempio emblematico: una corda di chitarra), una volta eccitato (in questo caso "pizzicato"), si metterà a vibrare, oscillando in avanti e indietro, simmetricamente rispetto al punto di riposo. I due movimenti opposti compiuti dalla corda, descrivono una oscillazione completa la quale è, esattamente, l'entità che dovremo tenere a mente come pietra miliare per capire e assimilare i concetti di cui in oggetto. Non prima, però, di aver ricordato che l'ipotizzata oscillazione della corda di chitarra di cui sopra, per essere applicata all'ingresso dell'amplificatore e quindi amplificata in modo tale da poter pilotare gli altoparlanti, deve essere prima trasdotta in un segnale elettrico proporzionale, le cui caratteristiche contengano le informazioni necessarie a descrivere fedelmente l'evento meccanico descritto dalla corda.
A fare questo, sempre restando nell'esempio considerato, provvede un buon pickup posto a breve distanza dalla corda stessa.
Questo grafico riassume bene, anche se solo simbolicamente, l'evento appena descritto. Da sottolineare che lo stesso movimento, almeno da un punto di vista qualitativo (non quantitativo, altrimenti non avrebbe senso parlare di "amplificazione") compiuto dalla famosa corda di chitarra, è lo stesso (distorsioni a parte) compiuto dalla membrana dell'altoparlante collegato all'uscita del sistema di amplificazione.
3) Ogni componente attivo funzionante in qualsivoglia amplificatore, sia esso qualche tipo di transistor o di valvola, è caratterizzato da tre parametri fondamentali che ne impostano, una volta acceso l'apparecchio, il funzionamento cosiddetto "a riposo" (dicesi polarizzazione).
Prendendo ad esempio una valvola (per semplicità espositiva ci riferiremo ad un triodo), questi tre parametri sono: la tensione Vak, cioè la tensione applicata fra anodo e catodo; la tensione negativa di griglia Vgk; la corrente anodica Ia che scorre nel vuoto della valvola e, una volta partita dal catodo, attraversa la griglia fino a raggiungere l'anodo, dal quale viene raccolta (questo è quanto accade realmente ma, convenzionalmente, per motivi storici si assume che la corrente viaggi nel verso opposto, motivo per cui negli schemi elettrici vedete sempre i catodi connessi a massa e non il contrario).
La corrente anodica è conseguenza diretta dei due parametri Vak e Vgk impostati circuitalmente dal progettista e, a parità di questi, varia da un tipo di valvola ad una altra.
Il prodotto aritmetico della tensione anodica Vak e della corrente anodica Ia ci dà la potenza dissipata a riposo dalla valvola.
Per "riposo" o "punto di riposo", ovviamente considerando l'amplificatore acceso (e con lui i suoi componenti attivi) intendiamo ciò che accade quando all'ingresso dell'amplificatore non giunge alcun segnale, il che, prendendo ancora come esempio quanto riportato nel grafico, corrisponde esattamente all'asse delle ascisse (x), cioè senza alcuna oscillazione da amplificare.
Dopo queste premesse, mi preme sottolineare che quando si parla di classe A, AB o B di un amplificatore audio, si sottintende il riferimento al solo stadio finale o di potenza che dir si voglia, cioè quello dotato dei transistor o delle valvole più potenti e che è preposto ad interfacciarsi e pilotare il sistema di altoparlanti.
Rimanendo in tema di amplificatori per impiego audio, generalmente, gli elementi attivi degli stadi precedenti quello di potenza sono sempre polarizzati in classe A e, quasi sempre, la loro configurazione circuitale è del tipo single ended.
ECCOCI, FINALMENTE, ARRIVATI A "BOMBA".
Quindi, innanzitutto, cosa significa che un componente attivo è polarizzato in classe A?
Significa che esso viene predisposto per trattare l'intero segnale periodico iniettatogli all'ingresso, ripresentandolo sulla sua uscita amplificato e privo di distorsione. Cioè il segnale in uscita deve avere la stessa forma di quello iniettato all'ingresso, ampiezza a parte.
Se un transistor o una valvola sono stati concepiti per poter lavorare in classe A, allora è possibile sia farne lavorare uno soltanto, nel qual caso si parla di stadio amplificatore single ended, sia farne lavorare una coppia in opposizione di fase, realizzando in tal modo uno stadio push-pull.
Approfondiamo un attimo, sempre restando nell'essenzialità del mero funzionamento di principio, la dinamica dello stadio push-pull.
Il meccanismo mentale del suo funzionamento è stato stato sempre efficacemente descritto dall'esempio dei due boscaioli che tagliano l'albero manovrando la sega a due manici contrapposti. Nell'istante in cui uno sta spingendo sull'attrezzo, l'altro sta compiendo l'azione diametralmente opposta e così via...
Sagacemente, possiamo descrivere il funzionamento di uno stadio single ended rimanendo nello stesso ambito lavorativo, ma riferendoci ad una sega con un solo manico, spinto e tirato, però, sempre dallo stesso braccio di un solo boscaiolo. Boscaiolo il quale, nel caso di un albero più duro da tagliare, può anche ricorrere all'espediente di utilizzare entrambe le mani simultaneamente, sull'unico manico della sega con la quale sta lavorando (così ne è venuto fuori pure l'esempio del single ended parallelo...).
I segnali amplificati dai due componenti del push-pull vengono poi sommati alle uscite ritrovandosi, così, un unico segnale avente il doppio della potenza rispetto a quella dello stesso segnale amplificato da un single ended equipaggiato con lo stesso componente polarizzato nelle stesse condizioni.
Come è risaputo, quando si vogliano far lavorare insieme due uguali componenti attivi nello stesso stadio per raddoppiare la potenza in uscita, oltre al push-pull c'è la possibilità di collegarli insieme in un single ended parallelo.
Siccome mi rivolgo, in particolare, agli utenti di amplificatori audio valvolari, non posso esimermi da un accenno alle valutazioni dei vantaggi e svantaggi caratteristici delle tre architetture circuitali di cui ho parlato fin ora.
Come si è ormai capito bene (spero), prendendo come esempio un componente attivo noto, che potrebbe essere benissimo una EL34 configurata a triodo, a parità di polarizzazione e condizioni al contorno, se impiegandone una soltanto in single ended si possono ottenere, facilmente, non meno di 6W RMS in uscita, significa che impiegandone due otterremo 12W, e ciò vale, ovviamente, sia nel caso del single ended parallelo che del push-pull e rimanendo sempre in classe A.
A parte il differente comportamento, relativamente al decadimento armonico che caratterizza queste due configurazioni circuitali ai diversi livelli di potenza erogata, entrambe hanno almeno uno scotto da pagare, che nel caso del single ended (particolarmente nel caso del parallelo, ma da non sottovalutare neanche nel caso del single ended semplice) è un trasformatore di uscita più ingombrante e critico sia in quanto a progettazione che come realizzazione, mentre il push-pull non si accontenta dello stesso segnale in ingresso che viene applicato ai single ended, ma lo vuole in due "copie" perfettamente uguali tranne per il fatto che devono essere iniettati sulle rispettive griglie controllo delle due valvole sfasati fra loro di 180° (e quindi in opposizione di fase).
In entrambi i casi, però, si tratta di due complicazioni non insormontabili e che possono essere affrontate in modo più che soddisfacente.
Bene, chiarito il concetto di classe A, di funzionamento in single ended e in push-pull, passiamo a descrivere le classi AB e B.
In questi altri due frangenti il discorso è limitato, praticamente, alla sola configurazione push-pull, in quanto non è possibile polarizzare uno stadio single ended per impiego nel campo audio in classe AB oppure, ancor di più, in classe B pura.
Un solo componente attivo (quindi parliamo necessariamente di stadio single ended) polarizzato per funzionare in classe B, infatti, anche se al suo ingresso viene iniettato un segnale relativo ad una oscillazione completa (riferendoci sempre all'esempio del grafico di cui sopra), in uscita presenterà, ovviamente amplificata, o la sola semi onda positiva, oppure la sola semi onda negativa.
Appena ne troverò il tempo, disegnerò e aggiungerò a questo articolo altri grafici esplicativi, per esprimere meglio i concetti esposti.
I più sagaci capiranno subito, non solo perché la classe B (ma anche la AB) possa essere appannaggio esclusivo della sola configurazione push-pull ma, probabilmente, intuiranno anche quale prerogativa possa avere un push-pull polarizzato in classe B.
Più sopra avevo detto, accennando alla polarizzazione di un componente attivo, segnatamente un triodo, come la potenza dissipata a riposo sia data dal prodotto aritmetico della tensione applicata tra anodo e catodo Vak e la corrente anodica (che scorre all'interno della valvola).
Per fare un esempio, richiamiamo la "solita" EL34 configurata a triodo e polarizziamola, ipoteticamente, con una realistica coppia tensione-corrente: Vak= 400V; Ia= 55 mA. Ne consegue una dissipazione di potenza elettrica, sempre a riposo, di 400 x 0,055 = 22W (la EL34 potrebbe dissiparne, teoricamente, fino a 25, ma è bene tenere una certa "distanza di sicurezza" da tale limite).
Ebbene, dovete sapere che, in un componente attivo polarizzato in classe A, come nel caso appena descritto, la condizione a "riposo", cioè in assenza di qualsiasi segnale alternativo applicato in ingresso, è quella che comporta la maggiore dissipazione di potenza da parte del componente stesso.
Di converso, la condizione "stressativamente" più favorevole, nel caso in esame, sarebbe quella in cui il componente venisse chiamato ad erogare sul suo carico (il solito altoparlante) la massima potenza possibile in uscita, che per un classe A sarebbe pari, solo teoricamente, al 50% della potenza dissipata a riposo. Mutatis mutandis, significa che la nostra cara EL34 polarizzata per dissipare i suddetti 22W a riposo, potrebbe erogarne fino a 11 sul carico e, in quel frangente, dissiparne su se stessa soltanto i rimanenti 11 del rimanente 50%!
Ne consegue che l'alimentatore è chiamato ad erogare costantemente il massimo della potenza e che il rendimento energetico dello stadio amplificatore in classe A è il più basso fra tutti e anche il più dispendioso in termini di costi della componentistica, la quale deve essere adeguatamente dimensionata. Dall'altro lato della medaglia, però, è innegabile che la classe A è anche foriera delle prestazioni soniche migliori in assoluto, tranne che per le massime potenze di uscita raggiungibili le quali, in ogni modo restano abbondantemente sufficienti almeno finquando non si pretende di pilotare diffusori acustici piuttosto "sordi". Tale qualità sonica della classe A, sempre a patto che le circuitazioni vengano progettate e realizzate in modo appropriato, si può toccare con l'udito in modo piuttosto evidente non soltanto per quanto riguarda gli amplificatori Hi Fi ma anche, potete credermi, nel caso degli amplificatori strumentali (principalmente per la chitarra elettrica).
Più sopra avevo detto che i più sagaci, probabilmente, avranno già intuito perché la classe B non è applicabile ad uno stadio single ended... per chi invece non avesse capito subito, significa che facendo così, il segnale amplificato ed applicato sul carico, verrebbe menomato nientemeno che della sua metà, ipotesi che comporterebbe una distorsione, rispetto al segnale applicato in ingresso, del tutto intollerabile!!!
In un push-pull polarizzato in classe B, invece, le cose cambierebbero radicalmente. Scomodando, ancora una volta, la nostra EL34 a triodo alimentata con una tensione anodica di 400V, avverrebbe che le due valvole contrapposte sarebbero attraversate, a riposo, da correnti anodiche pari a... zero!
Di conseguenza, essendo zero la corrente che scorre in un componente elettronico, anche se la Vak abbiamo detto essere di 400V, ne consegue che 400 x 0 = 0 W dissipati.
Lo stadio amplificatore in classe B inizia a funzionare solo nell'instante immediatamente successivo all'inizio dell'applicazione di un segnale al suo ingresso. Quindi in una delle due EL34 del nostro push-pull in classe B la corrente anodica aumenterà proporzionalmente al crescere del segnale in ingresso fino al picco e lo seguirà ancora, decrescendo, fino al suo ritorno a zero. Nel frattempo, la EL34 del ramo opposto sarà rimasta ad aspettare il suo turno, in stato di interdizione. Dopo che il segnale sarà tornato a zero, passerà a descrivere l'altra semionda della nostra oscillazione e, questa volta, entrerà in azione la EL34 che fino a quel momento era rimasta interdetta, mentre la prima entrerà, a sua volta in stato di interdizione (corrente zero).
Sul secondario del trasformatore di uscita, questa volta, non ritroveremo un segnale amplificato ma mutilato di una sua metà, come nel caso dell'ipotetico single ended in classe B ma, piuttosto, un segnale completo e qualitativamente fedele (in teoria) a quello applicato all'ingresso dello stadio.
A questo punto possiamo anche fare un confronto diretto tra il funzionamento di un push-pull in classe A ed un push-pull in classe B: durante l'amplificazione di un segnale alternativo, nel classe A funzionano, sempre, entrambe le valvole anche se con fase opposta, mentre nel classe B esse funzionano in modo alternativo, cioè mentre una è impegnata nell'amplificazione del segnale l'altra è spenta e viceversa.
Vantaggio del push-pull in classe B? Nella situazione di riposo le valvole sono praticamente "spente" e quindi fredde. Ciò comporta che l'alimentatore non sta erogando potenza, quindi si viene a porre in essere la situazione energetica diametralmente opposta a quanto già visto nel caso della classe A a riposo. Infatti, mentre in classe A l'erogazione di potenza da parte dell'alimentatore è sempre al massimo mentre nei componenti attivi la dissipazione è massima a riposo e minima (ma mai inferiore al 50% comunque) quando amplificano il segnale più ampio possibile, nella classe B l'erogazione di potenza da parte dell'alimentatore, come pure la potenza dissipata nei componenti attivi, sono ZERO in condizione di riposo e salgono al massimo in corrispondenza del più ampio segnale ammissibile che venga applicato in ingresso.
Di conseguenza, il rendimento energetico della classe B è il più elevato ipotizzabile, mentre la componentistica impiegata è più economica di quella necessaria ad un classe A in grado di erogare potenze analoghe, non avendo la necessità di essere sovradimensionata.
Infatti, se da un push-pull di EL34 a triodo polarizzate in classe A si possono tirare fuori circa una ventina di Watt (pilotando le griglie controllo delle EL34 in modo che arrivino fino alla classe A2 o griglia positiva), dalla stessa configurazione, ma in classe B, se ne possono ottenere, in pratica, almeno il doppio.
Resta sempre da valutare il famoso "altro lato della medaglia", che anche in questo caso non si fa certamente attendere. Infatti, se uno stadio amplificatore single ended polarizzato in classe B non è assolutamente considerabile per l'impiego in un amplificatore che voglia rivendicare qualsiasi velleità di impiego in campo audio, il push-pull in classe B non è che sia, comunque, qualitativamente il massimo, in quanto affetto da una forma di distorsione detta di "cross over".
Questa forma di distorsione è peculiare proprio del push-pul in classe B ed è dovuta al fatto che quando il segnale alternativo passa per lo zero, le valvole presentano almeno un minimo di inerzia nel loro stato di interdizione, prima di passare allo stato di conduzione della corrente.
Tant'è che il "compromesso storico", come dovrebbe del resto essere ancora facile intuire, è una via di mezzo tra la classe A e la classe B, ovvero la cosiddetta classe AB. La classe AB, infatti, prevede che le due valvole del push-pull, anche se vicine all'interdizione a riposo come nel caso della classe B, vengano comunque polarizzate per condurre sempre almeno una minima quantità di corrente.
Di conseguenza, in classe AB, non essendo pari a zero la corrente condotta dai tubi a riposo, si verifica una certa dissipazione di potenza, anche se non è paragonabile con quella dissipata, sempre a riposo, in classe A.
Grazie a questa seppur minima corrente condotta a riposo dalle valvole polarizzate in classe AB, il fenomeno della distorsione di cross over viene, almeno in parte, debellato (ma mai del tutto).
In realtà questa distorsione tende a ripresentarsi con l'aumento della potenza richiesta sul carico. E' chiaro che tanto più elevata sarà la corrente condotta già a riposo dalle valvole, tanto più sarà tenuta a bada la distorsione di cross over con l'aumento della potenza erogata e, quindi,... tanto più ci si avvicina alla condizione sonicamente ideale garantita solo dalla polarizzazione in classe A.
Come dovrebbe apparire chiaro ancora una volta, anche la classe AB può essere impiegata vantaggiosamente solo nel caso degli stadi push-pull, mentre polarizzare in classe AB un single ended significherebbe ottenere segnali in uscita i quali, seppure completi di entrambe le semionde, sarebbero ancora pesantemente distorti per via del fatto che le semionde negative verrebbero menomate dall'entrata, da parte dell'unico componente attivo dello stadio, in zona di interdizione. In pratica si otterrebbe la "tosatura" di una delle due semionde.
Tutto quanto detto spiega anche il fenomeno per cui in qualsiasi stadio di potenza funzionante in classe A le valvole di potenza o l'aletta di raffreddamento (negli amplificatori transistorizzati) scottano al massimo quando sono accesi ma non gli viene iniettato nessun segnale da amplificare e, viceversa, si raffreddano anche in modo evidente quando vengono chiamati a far emettere elevate pressioni sonore dagli altoparlanti per periodi non troppo brevi. E viceversa per quanto riguarda gli amplificatori polarizzati in classe AB, cioè non scottano un granché quando gli manca segnale da amplificare, mentre si scaldano tanto più quanto sono chiamati ad erogare wattaggi considerevoli negli altoparlanti ad essi collegati.
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