Amplificatore a IGB
Nel 1993 ci trovammo a sperimentare gli IGBT su un finale di potenza per subwoofer. All’epoca non conoscevamo precedenti realizzazioni con questi finali di potenza. Gli IGBT, (Insulated Gate Bipolar Transistor) sono semiconduttori che integrano le caratteristiche di un transistor bipolare in uscita e di un Mosfet in ingresso. Nati come componenti di commutazione ad impiego industriale, fecero la loro apparizione proprio nei primi anni 80’ nell’impiego di commutazioni al alta corrente e tensione.
Il nostro progetto nacque da un modulo amplificatore in classe AB complementare con finali a Mosfet e con potenza di 120W RMS. Le modifiche riguardarono dapprima lo stadio di alimentazione che venne completamente sostituito con un nuovo trasformatore di tipo toroidale, un nuovo ponte raddrizzatore da 35A ed una coppia di condensatori elettrolitici di livellamento da 12.000MF per ogni ramo dell’alimentazione.
Seguirono poi modifiche degli stadi pre-finali per adattare il circuito al pilotaggio di 4 grossi IGBT collegati (a coppie) in parallelo con resistenze di compensazione sui collettori, montati poi su un dissipatore con raffreddamento a ventilazione forzata con termostato. Il tutto venne assemblato all’interno di un mobile in alluminio e acciaio di dimensioni contenute.
Il finale cosi configurato soffriva di una piccola distorsione di intermodulazione ma data l’applicazione (pilotaggio di un subwoofer tagliato a 120Hz con pendenza di 24db per ottava tramite crossover attivo realizzato con operazionali NE5532) non rappresentava un problema all’ascolto. L’amplificatore, di dimensioni contenute ed in classe AB complementare a finali IGBT, forniva una potenza continua di 325W RMS su un carico di 2 ohm. Dopo lunghi test venne impiegato per anni in un piccolo locale della riviera romagnola per il pilotaggio di un subwoofer in push-pull dall’insolita impedenza di 2 ohm.


Controllo temperatura bobine driver

Nel 1991 decidemmo di realizzare una coppia di prototipi di piccoli diffusori con altra pressione acustica. Erano gli anni successivi alle prime apparizioni di impianti in bi amplificazione con controllo a processore digitale per ottenere alta pressione acustica con diffusori dalle dimensioni contenute (qualcuno ricorda forse le E4 presentate al SIB di Rimini in quei periodi).
Ad attirare la nostra attenzione furono dei mid-woofer da 130mm di diametro e 4 ohm di impedenza, realizzati con membrana in fibra di carbonio, cestello in lamiera, magnete tradizionale e supporto bobina in alluminio da 35mm.
I diffusori furono realizzati a 2 vie, ciascuno con 2 di questi driver da 130mm in configurazione D’Appolito ed una unità per alte frequenze a tromba. Su uno di questi altoparlanti (per diffusore) scollammo la cupola di chiusura della bobina mobile e incollammo sul supporto di alluminio un componente NTC di piccole dimensioni, collegati con due fili capillari di rame incollati alla membrana con catrame fuso e riportati sul cestello come quelli principali di collegamento alla bobina.
Utilizzammo poi dei particolari doppi cavi di collegamento agli amplificatori, due conduttori di dimensioni adatte al collegamento degli altoparlanti ed un cavo schermato contenete il segnale della NTC.
A monte degli amplificatori montammo dei filtri attivi analogici con taglio passa-alto a 60Hz e pendenza di 24dB per ottava per eliminare le frequenze più gravi difficilmente riproducibili da quel tipo di componenti.
Gli stadi finali, di tipo a Mosfet con 180W RMS per canale, vennero modificati sullo stadio di ingresso, per ospitare un piccolo circuito analogico (con amplificatori operazionali NE5532) sui quali collegammo il segnale dei sensori di temperatura NTC provenienti dai diffusori per il controllo a retroazione della potenza erogata dai finali in base alle temperature lette sulle bobine dei driver.
In un secondo momento realizzammo un prototipo di amplificatore con un differente sistema per il controllo delle temperature massime dei driver. In questo caso, più semplice, installammo all’interno (dello stesso) amplificatore a Mosfet, un piccolo box di alluminio contenente due resistenze (valori di resistenza e potenza ricavati dopo molte ore di prove) collegate alle uscite dei due finali sulle quali fissammo lo stesso tipo di NTC collegate al medesimo circuito di ingresso per il controllo del guadagno e quindi della potenza di uscita. Questa configurazione, pur essendo meno diretta nella lettura della temperatura, aveva il vantaggio di non modificare le caratteristiche degli altoparlanti.


Altoparlanti, le differenze costruttive...

I trasduttori elettroacustici si suddividono in diverse categorie; altoparlanti magnetodinamici, elettrodinamici, elettrostatici e piezoelettrici. Gli altoparlanti utilizzati nei diffusori acustici CAP SOUND engineering sono di tipo magnetodinamico in quanto utilizzano un magnete permanente nel quale campo magnetico è immerso un solenoide elettrico. Gli altoparlanti magnetodinamici sono delle macchine elettriche reversibili, sono cioè in grado di trasformare un segnale di energia elettrica in una energia meccanica e viceversa.
L’altoparlante è composto da alcuni elementi base; una membrana (generalmente a cono per le basse e medie frequenze ed a cupola per le frequenze alte), un motore (costituito da un nucleo magnetico statore ed una bobina mobile elettromagnetica) e da un telaio con alcuni accessori (terminali per la connessione elettrica, sospensione per la membrana, supporto bobina e centratore per la bobina mobile).

La maggioranza dei trasduttori utilizza magneti in ferrite mentre alcuni produttori hanno scelto magneti al Neodimio per via del peso e degli ingombri minori a parità di efficienza.
Per i trasduttori delle frequenze basse e medie, CAP SOUND engineering, ha optato per componenti con magnete tradizionale ceramico. La scelta è dovuta alla maggiore inerzia che il complesso magnetico è in grado di manifestare nei confronti dei movimenti indotti dalla bobina attraverso alla maggiore massa di tutto il complesso meccanico e strutturale del trasduttore.

La bobina mobile, realizzata generalmente in filo di rame avvolto su un supporto isolante rigido, è immersa nel flusso magnetico statico del magnete (nel traferro) ed ha il compito di trasformare il segnale elettrico di pilotaggio in una forza magnetica che, per la presenza del magnete statico, pilota il movimento della membrana attraverso il supporto della bobina stessa. I materiali con i quali sono realizzati i supporti delle bobine sono molteplici, ne citiamo uno in particolare; il Kapton.
Per alcuni modelli, CAP SOUND engineering utilizza woofer con bobina in filo di alluminio avvolto a sandwich.

Il kapton è una pellicola di polimero che è in grado di resistere a temperature di circa 400 gradi centigradi. Alcune fasi del processo produttivo del Kapton avvengono a temperature vicine ai 300 gradi. Questo materiale è utilizzato anche in alcune parti di indumenti per utilizzo spaziale come protezione termica o per alcuni tipi di circuiti stampati utilizzati in elettronica. Per le sue capacità di isolamento, leggerezza e resistenza a temperature relativamente alte, è impiegato appunto in alcuni supporti di bobina mobile nei driver di trasduttori impiegati soprattutto nel settore della riproduzione sonora per settori professionali, dove le alte potenze elettriche in gioco rendono determinante la resistenza termica del complesso bobina-supporto.

Un altro materiale utilizzato come supporto bobina è l’alluminio. Tra le peculiarità di questo materiale vi sono la leggerezza (bassa inerzia) e buona conducibilità termica che favorisce lo smaltimento termico della bobina attraverso il traferro del gruppo magnetico.

Le dimensioni e la massa del gruppo bobina incidono sul comportamento del trasduttore acustico. Bobine dal diametro e profondità ampie consentono grandi potenze dell’altoparlante ma aumentano la massa complessiva delle parti mobili e quindi l’inerzia nei movimenti. Per questo motivo, sui trasduttori per alte frequenze, difficilmente si utilizzeranno grandi bobine mobili, data la necessità di doversi spostare moltissime volte al secondo (anche ed oltre 20.000 volte al secondo).
Per l’impiego Hi-End, generalmente, il diametro delle bobine mobili dei trasduttori per alte frequenze, non si discosta molto dai 25mm. Componenti impiegati in applicazioni di sonorizzazione di grandi ambienti, possono avere diametri anche di 40mm o più ma con una restrizione della capacità di riprodurre le frequenze più acute; generalmente questi potenti trasduttori, sono in grado di riprodurre frequenze massime dell’ordine dei 16.000Hz.

Le bobine impiegate su altoparlanti per basse e medio-basse frequenze, hanno invece diametri maggiori, generalmente superiori ai 35mm e fino a 100mm per i potenti woofer e subwoofer da 15 o 18 pollici di diametro.
Dato che l’impiego Hi-End nei diffusori acustici da ascolto, richiede generalmente potenze contenute (dell’ordine dei 10-20-30W), la scelta dei componenti cade su altoparlanti che abbiano bobine non troppo grandi (quindi con poca inerzia) ma in grado di sopportare senza problemi i picchi musicali più elevati.
CAP SOUND engineering utilizza per i propri diffusori acustici Hi-End altoparlanti con bobine di impedenza di 8 ohm, caratteristica che, rispetto alla impedenza di 4 ohm, consente di ridurre le correnti in gioco nel pilotaggio elettrico, fattore che rende meno impegnativo il lavoro svolto dall’amplificatore e dei filtri cross-over passivi interni ai diffusori. L’impedenza di 8 ohm riduce anche le perdite di efficienza e controllo derivate dalle resistenze parassite presenti sui cavi di connessione interna dell’amplificatore (o piste in rame del PCB), sui cavi di connessione ai diffusori acustici e sui filtri crossover passivi interni ai diffusori stessi.

I materiali impiegati per la realizzazione delle membrane dei trasduttori elettroacustici sono vari; polipropilene, poliammide, polpa di cellulosa, carta trattata, fibra di carbonio, Nomex, magnesio, Kevlar (fibra sintetica aramidica inventata nel 1965) eccetera. Questi materiali sono impiegati generalmente per altoparlanti destinati alla riproduzione di basse e medie frequenze audio. Per i trasduttori di medio-alte ed alte frequenze, generalmente si utilizzano anche materiali diversi come la seta trattata, l’alluminio o il titanio.

Per le sospensioni delle membrane di altoparlanti, i materiali impiegati sono generalmente la gomma, la carta impregnata, il foam e la tela trattata, materiali che devono coniugare cedevolezza e smorzamento. Gli altoparlanti per frequenze alte e medio-alte, generalmente, utilizzano sospensioni in tela trattata.


La propagazione del suono, qualche informazione interessante...

Il suonoè un fenomeno fisico caratterizzato da onde di compressione e rarefazione che hanno origine dalla vibrazione di un corpo. Affinché possa esistere un suono, deve esistere un vettore, un mezzo attraverso il quale le onde di compressione e rarefazione possono spostarsi.

Il suono generato da un corpo vibrante si trasmette attraverso l'aria (tutti i gas) e attraverso qualunque solido che abbia una minima componente di elasticità. Il suono si propaga a velocità diverse in base al mezzo (ambiente, materiali, ecc.) ed anche alla temperatura di questo.

Quando parliamo di ascolto musicale, parliamo principalmente di diffusione del suono attraverso l'aria. In questo caso il suono viaggia ad una velocità di circa 331,5 metri al secondo a zero gradi. Per dirla in Km/h la velocità del suono nell'aria a zero gradi è di 1193,4. Tornando ai metri al secondo, per fare un esempio, lo stesso suono viaggerà in aria a 20° C a 343m/s, mentre a 30 gradi centigradi la velocità sarà di 349,2 metri al secondo.

Su mezzi solidi, la velocità del suonoè generalmente molto più alta, come ad esempio gli oltre 5000 metri al secondo per il vetro o l'acciaio, oltre 3000 metri al secondo per alcuni legni, per il ghiaccio o per il calcestruzzo. Per il granito la velocità di propagazione del suonoè di oltre 6000 metri al secondo.

Le onde (base) hanno una ampiezza ed una frequenza. L'ampiezzaè rappresentata dal livello delle fasi di compressione e rarefazione mentre la frequenza è data dal numero di variazioni compressione-rarefazione che avvengono al secondo e si misura in Hz. L'orecchio umano riesce a percepire le frequenze comprese in un range che va da circa 20Hz a circa 20.000Hz.

I diffusori acustici sono progettati per tentare di riprodurre le frequenze comprese in questi due estremi. La frequenza di 20.000Hz è facilmente riproducibile con la maggioranza dei trasduttori per altre frequenze audio (tweeter), mentre la riproduzione delle frequenze più basse (dette gravi) richiede generalmente trasduttori e volumi di caricamento di grandi dimensioni.