Amplificatore (elettronica)
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Un amplificatore può essere considerato qualsiasi dispositivo che usa una piccola quantità di energia per comandarne una quantità più grande, benché il termine attualmente si riferisca quasi esclusivamente ad un amplificatore elettronico. La relazione tra ingresso e uscita dell'amplificatore, usualmente espressa come funzione della frequenza del segnale di ingresso, è detta funzione di trasferimento dell'amplificatore e l'ampiezza della funzione di trasferimento è detta guadagno.
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[modifica] Amplificatori elettronici
Le tipologie sono le più varie, una delle più comuni è l'amplificatore elettronico comunemente utilizzato in trasmettitori e ricevitori per radio e televisione, equipaggiamenti stereo ad alta fedeltà, personal computer ed altro equipaggiamento elettronico digitale. I suoi componenti attivi sono il transistor, il circuito integrato e la valvola termoionica.
[modifica] Amplificatori a valvole
Nei primi anni dell'elettronica la valvola termoionica era l'unico dispositivo attivo disponibile; attualmente il loro uso è riservato all'amplificazione di potenza delle microonde e all'amplificazione del segnale in sistemi audio, da parte di piccoli produttori operanti nel mercato Hi-End.
Ottimo e semplice da realizzare, a differenza di un progetto a transistor, necessita l'uso di trasformatori, un componente elettrico relativamente voluminoso e pesante, necessario per poter adattare l'elevata impedenza del tubo termoionico, alla bassa impedenza del carico pilotato l'altoparlante. I tipi di valvole impiegate sono molteplici; 300b, EL34, KT88 etc. Il suono ottenuto ha una buona dinamica e risulta caldo e poco stancante l'orecchio umano. È molto usato dai gruppi musicali per l'amplificazione degli strumenti, per la capacità di sopportare senza conseguenze sovraccarichi momentanei e presentare meno fastidio all'orecchio in caso di distorsione del suono.
Le potenze con tale tecnologia usata per riproduzione musicale, si aggirano fra 8-10 e 30-40 watt. Molto interessante la produzione attuale cinese, sovente utilizzata, previo cambio immagine da marchi esoterici occidentali, gli amplificatori per strumenti musicali possono avere potenze oltre i 100 Watt.
Nelle realizzazioni a transistor sono ottenibili sicuramente gli stessi risultati ma con maggiori difficoltà circuitali; (circuito elettronico molto più complesso che deriva da una attività progettuale in molti casi di estrema raffinatezza, paragonabile quasi all'arte pittorica, non sempre perseguita dai costruttori). D'altra parte potenze elevate sono raggiungibili solo con la tecnologia a transistor
[modifica] Amplificatori a transistor
Gli amplificatori a transistor utilizzano transistor BJT i quali amplificano il segnale in corrente e i JFET che amplificano il segnale in tensione; questi circuiti possono impiegare insieme ai transistor anche circuiti integrati. Il guadagno dell'amplificatore dipende sia dal tipo di transistor che dal circuito esterno, ed è fissato dal costruttore in fase di progetto. Un amplificatore è costituito da uno stadio di ingresso nel quale sono presenti uno o più transitor che preamplificano il segnale per portarlo ad un livello tale da poter essere utilizzato da altri transistor, denominati finali, i quali alzano ulteriormente il livello di tale segnale che viene poi trasferito ad un diffusore acustico con caratteristiche adeguate alla potenza che l'amplificatore è in grado di erogare. Gli stadi di ingresso e finale utilizzano configurazioni diverse a seconda della tipologia di amplificazione che si vuole ottenere, le tipologie degli stadi finali sono denominate classi (A,AB,C ecc..).
I transistor finali, lavorando, generano calore ed è per questo motivo che occorre montarli su un dissipatore (generalmente in alluminio) di dimensioni proporzionate alla potenza in watt da dissipare, il quale, per convezione, trasferisce all'ambiente il calore prodotto dalle giunzioni dei finali.
[modifica] Amplificatori operazionali (op-amp)
Gli amplificatori operazionali sono amplificatori ad altissimo guadagno realizzati su un circuito integrato allo stato solido che utilizzano una retroazione esterna per il controllo della funzione di trasferimento. Sullo stesso chip di silicio possono essere realizzati anche 4 operazionali identici, racchiusi nello stesso package(Es. TL084).
In merito all'impiego degli operazionali nell'amplificazione audio, prima dell'avvento dell'Hi-End, le migliori prestazioni si ottenevano impiegando componenti discreti (transistor). Oggi i migliori apparecchi in commercio, adottano soluzioni di ingegnerizzazione del circuito amplificatore, volte a impedire la conoscenza della componentistica adottata, il circuito è racchiuso in un monoblocco di resina dal quale fuoriescono solo i terminali di collegamento, non è possibile conoscerne la componentistica né valutare il circuito; l'unico dato che il costruttore fornisce è la sigla o il codice relativo al custom, necessari in caso di sostituzione, pertanto non è possibile sapere se i migliori amplificatori in commercio adottino operazionali. Si potrebbe presumere che in qualche caso se ne faccia uso, data la presenza sul mercato di amplificatori che impiegano circuiti integrati; è il caso del costruttore statunitense Jeff Rowland, il quale ha in listino un apparecchio i cui stadi finali impiegano operazionali di potenza collegati a ponte, lo stadio preamplificatore è però customizzato, pertanto inaccessibile ad un'analisi.
[modifica] Amplificatori integrati
Al fine di agevolare i progettisti di apparecchiature elettroniche, i produttori di circuiti integrati, pongono in commercio dispositivi amplificatori da loro stessi progettati, sono disponibili per tutte le frequenze, dal campo audio alle microonde. Il loro impiego ha molti vantaggi, avendo dimensioni molto più compatte di un analogo circuito a componenti discreti, permette al progettista di ridurre le dimensioni dell'intera apparecchiatura, inoltre essendo realizzati su un'unico chip, l'affidabilità nel tempo risulta molto elevata, inoltre agevola il progettista in termini di spese e di tempo nel portare a termine il proprio progetto. Il package può essere metallico, ceramico o plastico, può avere dimensioni standard, o essere un custom.
[modifica] Amplificatori ibridi
Concettualmente simili agli integrati, si differenziano per la tipologia di costruzione e per la maggior complessità circuitale. Sono composti da chip multipli, resistori e condensatori, assemblati su una piastrina di ceramica e collegati insieme a formare il circuito, il tutto racchiuso in un contenitore ermetico da cui fuoriescono solo i reofori o i pin per il montaggio sul circuito stampato, sono disponibili con potenze anche di centinaia di watt, alcuni incorporano anche il dissipatore di calore.
Si definivano ibridi anche alcune tipologie circuitali adottate degli anni 60, in cui il transistor e la valvola termoionica coesistevano nello stesso circuito.
[modifica] Amplificatori per Shaker
Sono amplificatori molto particolari, di grande potenza (molti Kilowatt) realizzati da pochi produttori specializzati, usati dalle grandi aziende per testare in fase di progetto, il comportamento dei loro manufatti alle sollecitazioni meccaniche cui saranno sottoposti durante il loro uso. Tipici esempi, verificare l'entrata in risonanza di qualche componente di una lavastoviglie o della plancia di un'autovettura. Il sistema è costituito da un oscillatore sinusoidale con frequenza variabile da zero a qualche Kilohertz, il quale pilota l'amplificatore a cui è collegato lo shaker. Questo e costruito concettualmente come un'altoparlante, la membrana è costituita da una robusta tavola metallica predisposta a ricevere tramite fissaggio solidale con essa, il manufatto da sottoporre al test. Ovviamente il dimensionamento delle parti meccaniche sono in rapporto con le energie in gioco, la membrana deve sostenere masse in vibrazione di decine di chilogrammi, la bobina è raffreddata con un flusso d'aria forzata, le batterie di transistor degli stadi finali sono fissati su barre cave in alluminio, contenenti liquido in circolo, il pavimento che ospita lo shaker è realizzato su specifiche del costruttore. La Olivetti negli anni 70, al piano interrato dello stabilimento I.C.O di Ivrea, ne impiegava uno di produzine germanica per testare i suoi prodotti.
[modifica] Altri amplificatori
Amplificatori meccanici sono i servomeccanismi utilizzati nei veicoli per diminuire lo sforzo richiesto ad azionare freno e sterzo. Relè ed interruttori possono essere considerati amplificatori, anche se la loro funzione di trasferimento non è lineare.
L'amplificatore magnetico è un tipo di trasformatore che utilizza alcune proprietà non lineari del nucleo generando amplificazione tramite la sua saturazione.
Esistono amplificatori di corrente continua, generalmente usati per l'azionamento di motori elettrici. Possono far parte di catene di misura sofisticate e complesse, come può essere ad esempio l'analisi di correnti a frequenza elevata, in un circuito elettronico; il set di misura comprende la pinza amperometrica, il suo amplificatore dedicato, e la plug -in appropriata, costituente l'amplificatore verticale da collegare all'oscilloscopio in uso, ovvero un sistema di misura costituito da 4 apparecchi distinti, due dei quali sono amplificatori.
[modifica] Amplificatori audio
[modifica] Audiofrequenza
Qualsiasi suono può essere convertito in correnti elettriche mediante appositi dispositivi di volta in volta più indicati. Le correnti elettriche variabili così ottenute, rappresentano più o meno fedelmente la forma d'onda del suono convertito. Queste correnti sono dette ad audiofrequenza o anche a bassa frequenza e solitamente sono di valore talmente basso che è necessario amplificarle.
[modifica] Guadagno
Per fare ciò si utilizza un amplificatore, che al suo interno presenta dei componenti attivi che, offerto un segnale in entrata, lo aumentano di guadagno di X volte rendendolo disponibile in uscita con il massimo della fedeltà possibile. Nel dettaglio i componenti attivi sono ad es. le Valvole, i Transistor, i FET, Circuiti Integrati. Ci sono amplificatori a basso guadagno, medio guadagno, alto guadagno, ciò che li differenzia è il numero di componenti attivi presenti nell'amplificatore stesso ovvero dagli Stadi di amplificazione. Il guadagno dell'amplificatore quindi sarà il rapporto tra il segnale di uscita e il segnale di entrata.
Esempio: un microfono ci fornisce una tensione di 0,005 volt, questo segnale lo mandiamo all'ingresso di un amplificatore e alla sua uscita misuriamo la tensione di 50 volt, il guadagno ottenuto dall'amplificatore è 50:0,005 = 10.000
[modifica] Potenza
Uno dei fattori primari di un amplificatore è la potenza, ed è espressa in watt (rms). I transistor finali aumentano notevolmente il livello del segnale sonoro che è costituito da una corrente di un dato valore. Tale corrente quando viene fatta circolare all'interno di un altoparlante fa vibrare la membrana dello stesso, traducendo in suono le variazioni di corrente. Maggiore è il valore di tale corrente maggiore sarà l'emissione sonora. Per ascoltare della musica in una stanza di medie dimensioni, a seconda della qualità del suono che si desidera ottenere, la potenza da disporre può andare da 15-20 watt, fino a 150-200 e anche più; un'amplificazione di uno spazio aperto come una piazza o uno stadio dove si tiene un concerto, ad esempio, sarà necessario disporre di migliaia o decine di migliaia di watt.
[modifica] Il segnale in ingresso
I due fattori, Guadagno e Potenza non sono direttamente in relazione, ci possono essere amplificatori con basso guadagno ma con alta potenza o viceversa. Il valore di guadagno del circuito è scelto in base al livello del segnale da trattare. Se il segnale è piccolo sceglieremo di avere alti guadagni, viceversa se è già grande, potremmo decidere di fissare un guadagno più modesto. La grandezza di questi segnali è in relazione alle caratteristiche del dispositivo collegato in ingresso. All'entrata dell'amplificatore possiamo collegare vari tipi di dispositivi, microfoni, pick-up, segnali provenienti da altri apparecchi ecc.. Molti amplificatori audio dispongono di più prese di ingresso o di selettori, preposti a far transitare il segnale nello stadio avente il guadagno più appropriato per quel segnale specifico, ad esempio il segnale che esce da una testina di lettura a magnete mobile (considerata la migliore), impiegata per l'ascolto dei dischi in vinile, è mille volte più piccolo del segnale che esce da un lettore CD; realizzare un preamplificatore avente buone caratteristiche per segnali di livello così piccolo comporta costi elevati, per questa ragione in molti preamplificatori ad alta fedeltà, la sezione di ingrasso per testine a magnete mobile è fornita come optional.
Nel trattare questi deboli segnali, proprio perché i guadagni sono così elevati, i progettisti devono prestare la massima attenzione affinché nel progetto del circuito, il trasferimento del segnale lungo il suo percorso sia disturbato il meno possibile da interferenze elettriche o disturbi esterni. Molto curate e raffinate sono a volte le soluzioni adottate per la schermatura dei circuiti; un piccolo disturbo verrà infatti amplificato sovrapposto al segnale, indistintamente e ad ogni stadio, con un risultato finale in genere pessimo, o comunque non conforme alle specifiche del progetto.
[modifica] Gli stadi di amplificazione
In generale un amplificatore è formato, semplificando molto, da due unità accoppiate tra loro: stadio pre-amplificatore e stadio di potenza. In pratica sono i due stadi base che da soli sono in grado di dare al segnale in ingresso:
- un primo grande guadagno iniziale con la massima fedeltà possibile, compatibile con i costi stabiliti.
- un ulteriore guadagno con componenti capaci di dare la necessaria potenza al segnale in uscita e renderlo (tramite l'altoparlante) udibile.
In teoria si può fare tutto con un solo stadio, ma in pratica un solo stadio non basta, tutto comunque è in funzione di ciò che si vuole ottenere. In generale ogni stadio fornisce un guadagno che si somma a quello precedente e così via, tutto questo a spese della corrente fornitagli da un adeguato circuito di alimentazione
Nel settore dell'alta fedeltà di classe elevata (Hi-End), gli stadi di amplificazione sono suddivisi in due distinti telai, il Preamplificatore, che contiene gli stadi a basso livello e il Finale di Potenza contenente gli stadi ad alta corrente.
[modifica] Il segnale in uscita
Il segnale di piccola intensità applicato all'ingresso esce più o meno amplificato dagli stadi finali di amplificazione ed è pronto per essere trasferito al dispositivo che lo renderà udibile; l'altoparlante. Anche in questo caso, come il segnale di ingresso, bisognerà adattarlo al sistema che lo riceve, per fare in modo di trasferirlo senza sprechi di potenza e senza distorsioni.
Il parametro principale da tenere presente è il valore di impedenza dell'altoparlante, o del diffusore acustico, i valori usati sono tre, 4-8-16 Ohm, il più basso viene impiegato su sistemi destinati alle autovetture, essendo disponibile solo la tensione di 12 volt della batteria, un valore basso di impedenza permette un maggiore valore di corrente circolante, ottenenendo più potenza. Il valore di 8 Ohm è adottato dalla maggior parte dei costruttori per i sistemi con alimentazione dalla rete a 220 volt. Il valore di 16 Ohm era usato ai tempi degli amplificatori a valvole, i quali avevano nel circuito di uscita un trasformatore, necessario per adattare l'elevato valore di impedenza della valvola al basso valore di impedenza dell'altoparlante, in qualche caso viene impiegato ancora oggi.
A differenza del segnale di ingresso, il segnale di uscita non è praticamente più soggetto ad interferenze.
[modifica] Prestazioni attuali
Dagli anni 60 ad oggi le prestazioni degli amplificatori audio sono aumentate in misura notevolissima soprattutto per merito della componentistica, migliorata in modo costante in precisione, potenza ed affidabilità, i migliori amplificatori progettati per l'Hi-end sono in grado di fornire per breve tempo correnti di centinaia di Ampere, potenze dell'ordine dei Kilowatt anche su carichi fortemente induttivi e avere una linearità in frequenza, contenuta entro frazioni di decibel, dalla corrente continua a ben oltre i 20 KiloHertz; il modello M5 Jeff Rowland, un finale stereo ormai fuori produzione, dichiarato 150 watt rms su 8 Ohm per canale, su un carico di 2 Ohm fornisce 470 watt, il dimensionamento dell'alimentatore è tale, da poter fornire su ciascun canale per un tempo di 20 millisecondi una corrente di 90 ampere su un carico di 0,1 Ohm, la risposta in frequenza si estende dalla corrente continua a oltre 310 KiloHertz. Un'altro finale da 300 watt su 8 Ohm del costruttore Mark Levinson, il No.33, riesce a fornire 1200 watt su un carico di 2 Ohm per un tempo indefinito. Questa categoria di apparecchi sono garantiti a vita, basti dire che l'M5 sottostava ad un burn-in di 72 ore. Un aneddoto risalente agli anni 70, riportato nelle pagine della rivista "Suono" ancora oggi in edicola, dimostra di quale grado di affidabilità e resistenza ai sovraccarichi possedevano i migliori amplificatori in commercio già in quegli anni; dovendo sottoporre a prova un grosso amplificatore finale americano, e non disponendo della rete elettrica con frequenza di 60 Hertz, decisero di adottare come sorgente di rete, un grosso finale McIntosh, collegandogli all'ingresso il segnale sinusoidale a 60 Hertz proveniente da un generatore di funzioni, in quel caso, un finale audio riuscì a simulare la rete elettrica americana. Questo produttore, negli anni 70 era fornitore ufficiale della Marina degli Stati Uniti d'America.
