Il Damping - Fattore di Smorzamento
Molto semplicemente ....un diffusore essendo un’organo meccanico in movimento e’ soggetto alla forza d’inerzia, quando viene sospinto in una direzione ha quindi la tendenza a proseguire per un po’ questo suo movimento anche quando la forza che ha generato la spinta iniziale viene a mancare, avendo il diffusore il foam che si comporta come una sospensione, o una molla dobbiamo quindi immaginare che abbia la tendenza a generare movimenti ondulatori che vanno a diminuire un’oscillazione dopo l’altra finche’ l’energia non si esaurisce, queste si chiamano onde smorzate. Inoltre l’altoparlante possiede una propria massa, quindi reagira’ in modo diverso alle differenti frequenze reagendo in modo molto marcato nei punti di risonanza e reagendo poco al di fuori di questi.
Il fattore di smorzamento e’ la capacita’ di un’ amplificatore di controllare il diffusore: di frenarlo quando risponde in modo troppo marcato o cerca di andare dove la sua inerzia lo conduce, e di spingerlo con maggiore forza quando la sua reazione e’ troppo debole cercando per quanto gli e’ possibile di fargli seguire quello che e’ l’andamento del segnale audio, piu’ e’ altro lo smorzamento migliore e’ la capacita’ dell’amplificatore di tenere sotto controllo il diffusore, piu’ e’ bassa piu’ il diffusore fara’ quello che gli pare.
Detta cosi’ la soluzione sembrerebbe facile: facciamo un’ amplificatore con un sacco di smorzamento, cosa che viene bene sopratutto ai circuiti a stato solido. Purtroppo per i sostenitori del transistor e per fortuna nostra da amanti delle valvole pero’ la realta’ e’ molto piu’ complicata e l’insieme amplificatore e casse e’ soggetta a parecchi altri parametri i quali sono tutti interdipendenti e le valvole tornano in gioco in modo piuttosto agguerrito.
Tecnicamente
Su internet si trovano diversi articoli tecnici, molti dei quali esclusivamente teorici o assolutamente faziosi nei quali si lascia intendere che il fattore di smorzamento deve assolutamente avere valori altissimi, spesso irraggiungibili con amplificatori valvolari, pena il cattivo suono. Ma la realta’ e’ spesso molto diversa, e in questo articolo cerchero’ di tenere in considerazione quelle che sono esperienze reali di ascolto poi misurate e spiegate a numeri, perche’ qualcuno dice: “Alla fine conta solo come suona!”
Niente di piu’ sbagliato, si conta come suona, se suona bene o male e’ importante, ma il fatto di suonare bene o male non e’ slegato ai parametri strumentali dell’amplificatore come molti credono, 2 amplificatori che hanno le stesse identiche strumentali avranno un suono molto simile se non del tutto uguale, il fatto e’ che spesso le case produttrici (sia di trasformatori che di amplificatori) dichiarano dati fasulli e quindi capita che un’amplificatore che dovrebbe essere uguale a un’altro in realta’ non lo e’, o uno che dovrebbe essere superiore a un’altro in realta’ sia inferiore, quindi l’audiofilo che misura ad “orecchio” si convince che le strumentali non contino niente, ma purtroppo si sbaglia perche’ non tiene in considerazione che le strumentali potrebbero essere false.
In fase di progettazione e messa a punto dell’amplificatore le strumentali giocano un ruolo fondamentale per poter giudicare se il circuito funzioni bene o male o se sia superiore o inferiore ad un’altro apparecchio, anche sonicamente, e questa e’ una realta’ oggettiva.
Il “fattore di smorzamento”, per definizione, e’ il rapporto tra l’impedenza di carico e l’impedenza di uscita Rout dell’amplificatore. Come impedenza di carico si assume convenzionalmente un resistore.
Ossia: Smorzamento = Impedenza del carico / Impedenza di uscita dall’amplificatore
L’impedenza del carico sara’ una resistenza da 4/6/8 ohm a seconda dell’impedenza degli altoparlanti che possono essere interfacciati all’amplificatore mentre l’impedenza di uscita dall’amplificatore viene definita normalmente come “Rout”.
Damping Factor :
500 o piu’ Amplificatore stato solido molto retroazionato.
200 Amplificatore stato solido abbastanza retroazionato.
100 Amplificatore stato solido normalmente retroazionato.
50 Amplificatore stato solido poco retroazionato.
24 (o piu’) Valori molto difficili da ottenere con un valvolare, quasi impossibile, da considerarsi amplificatore a valvole estremamente retroazionato.
da 15 a 20 Valori molto difficili da raggiungere con un valvolare ma non impossibili, se viene usata retroazione locale o circuiti come l’STC potrebbe suonare estremamente bene se i trasformatori hanno sufficiente banda passante, ma potrebbe suonare molto male se viene usata retroazione ad anello chiuso.
da 8 a 14 Valvolare moderatamente (e ponderatamente) retroazionato, se il trasformatore ha sufficiente banda passante e il circuito e’ stato messo a punto nel migliore dei modi e’ sicuramente un’amplificatore che suona molto bene.
5 Minimo valore accettabile, con un fattore di 5 e’ un’ amplificatore valvolare poco retroazionato, sicuramente bensuonante ma che potrebbe variare il suo comportamento sonoro in modo “percettibile” in base alle casse con cui viene collegato.
2 Valore tipico del valvolare non retroazionato, con fattori di smorzato di questo tipo ci si puo’ permettere di pilotare solo casse monovia assolutamente senza crossover passivi in mezzo al segnale, e’ assolutamente inaccettabile con la maggiorparte dei diffusori. Un’amplificatore con questo fattore di smorzamento muta pesantemente il proprio comportamento in base al tipo di cassa connesso, anche trovata la cassa che si crede ottimale ad orecchio si avranno audizioni molto distorte, quindi l’ottimale sara’ solo “a gusto personale” e sempre al di sotto del desiderabile o dell’ottenibile quindi ottimale solo perche’ non si e’ sentito niente di meglio e si convinti che meglio di cosi’ non si possa sentire. In totale assenza di retroazione anche locale e’ sostanzialmente impossibile avere fattori di smorzamento superiori con un valvolare, c’e’ chi parla di trasformatori con bassissima induttanza dispersa (con un sacco di sezionamenti ma che poi ti perdono in banda passante alta) o di usare valvole con Ri bassa, quindi si parla di triodi meglio dei pentodi, o di fare pushpull in classe A piuttosto che in classe AB tutto questo per giocare a tirare qualche decimale in piu’ ma alla fine si cerca di alleggerire il cavallo lento dal “peso” delle pulci. I difetti tipici di amplificatori con fattori di smorzamento cosi’ basso sono la sensazione di una gamma bassa esaltata (alcuni dicono “coda sui bassi” o “bassi gonfi”) oppure di avere una gamma medio alta ovattata (il classico cuscino sull’altoparlante), si ha una perdita di dettaglio sonoro consistente e l’introduzione di onde smorzate generate dell’inerzia dei coni e una perdita di dinamica, tutti questi difetti possono presentarsi in diversa misura a seconda della cassa usata, quindi l’amplificatore suona diverso in base alla cassa. Le casse che esaltano di meno il basso smorzamento sono le monovia “aperte” casse con coni di diamentro ridotto quindi con poca inerzia o molte casse pneumatiche che sono quindi intrinsecamente frenate.
Valori inferiori a 2 Valvolare progettato e costruito veramente male e/o con pessimi trasformatori.
Dato che l’impedenza di un diffusore, tranne casi particolari, e’ molto lontana dall’essere costante, il valore del fattore di smorzamento assume un significato diverso a seconda dell’andamento dell’impedenza con la frequenza del diffusore.
Le teoria e i sostenitori del transistor dicono che se lo smorzamento e’ molto alto (per es. superiore a 100) e soprattutto costante con la frequenza, difficilmente ci saranno problemi. Ma un’amplificatore deve prima di tutto dar godimento all’ascolto e le strumentali dovrebbero essere in secondo piano, l’esperienza comune di chi si avvicina al mondo dei valvolari e’ proprio di un’ascolto molto piu’ godibile rispetto alle amplificazioni a transistor che se anche di buona qualita’ risultano spesso “violente” e troppo affaticanti (sopratutto per ascolti prolungati), il problema e’ che poi spesso si va da un’estremo all’altro, dall’amplificatore che smorza troppo o troppo retroazionato che ha determinati problemi a quello che smorza troppo poco che ha problemi diversi.
Io nella mia vita, in tutti i campi, non solo quelli “audio”, ho sempre osservato le persone schierarsi agli estremi: chi preferisce avere un problema rispetto un’altro, ma tutti hanno problemi alla fine e non se ne rendono conto, spesso invece la soluzione ottimale (non esente da problemi perche’ la perfezione assoluta non esiste, ma dove i problemi sono ridotti al minimo possibile) si ha nel mezzo, se si cerca di trovare un punto di equilibrio, un compromesso tra 2 condizioni. Questa spesso e’ la strada piu’ difficile da ottenere perche’ richiede ragionamento e prove su prove, mentre lo schierarsi da una parte piuttosto che dall’altra e’ molto meno faticoso ma bisogna rinunciare a qualcosa.
Nel campo audio, per me, il compromesso tra l’amplificatore a transistor che smorza tantissimo e che ti spacca i timpani perche’ suona come una scatola piena di vetri rotti che viene agitata e l’amplificatore a valvole privo di retroazione dove il cono dell’altoparlante va dove gli pare facendoti venire il mal di testa e’ in un’ amplificatore sempre valvolare con moderato negative feedback, non troppo da rendere gli acuti metallici ma lo smorzamento deve essere sufficiente a tenere a bada i coni degli altoparlanti e a non perdere dettaglio sonoro. L’unica maniera di riuscire a fare questa cosa e’ avere trasformatori d’uscita con bande passanti molto elevate perche’ applicare negative feedback ad un trasformatore scarso rende il suono brutto e siccome sul mercato sono pochi i produttori che vendono trasformatori buoni alla fine le persone si arrendono e devono scegliere tra avere poco smorzamento o tanto negative feedback con relative distorsioni.
Tornando al fattore di smorzamento, esso indica indirettamente una serie di caratteristiche dell’amplificatore che vanno dalla risposta in frequenza ad anello aperto, al fattore di retroazione fino alla massima tensione prodotta sul carico al variare del carico stesso. Noto il Fattore di Smorzamento (per esempio 80 su 8 ohm) si risale al valore di Rout dell’amplificatore (8:0.80= 0.1 ohm).
Per “Rout” si intende questo: immaginiamo l’amplificatore perfetto (quindi solo teorico) che puo’ erogare corrente infinita, la “Rout” e una resistenza posta in serie tra l’amplificatore e il carico (altoparlante). Il valore di questa resistenza limita la quantita’ di corrente erogabile dal nostro amplificatore immaginario, e quindi limita la sua capacita’ di smorzamento.
E’ preferibile un fattore di smorzamento moderato ma costante con la frequenza, piuttosto che uno elevato che diminuisce con la frequenza a partire da 1kHz: questo infatti indica che la risposta in frequenza ad anello aperto dell’amplificatore e’ limitata. La limitazione della larghezza di banda ad anello aperto e’ una delle cause della distorsione in generale e della distorsione di intermodulazione dinamica in particolare. In generale il fattore di smorzamento dipende dalla frequenza e puo’ diminuire sia verso le basse frequenze (accoppiamento in alternata) sia verso le alte frequenze (diminuzione del guadagno ad anello aperto verso le alte frequenze).
Per essere piu’ chiari ad anello aperto si misura quella che e’ la banda passante reale del circuito e piu’ in generale la banda passante del trasformatore che di solito (se il circuito e’ progettato bene) e’ molto inferiore a quella tipica del circuito preso da solo.
L’applicazione del negative feedback estende dal banda passante, praticamente quando il trasformatore inizia a “calare” il circuito reagisce mettendoci piu’ potenza per tenerlo su fin dove e’ possibile, ma quando questo avviene la rete di negative feedback (a causa delle rotazioni di fase introdotte dal trasformatore) comincia a introdurre distorsioni nel segnale, rispunta nuovamente il problema di avere dei trasformatori d’uscita con una banda passante il piu’ elevata il possibile, perche’ si applica il negative feedback per avere uno smorzamento decoroso ma non si desidera introdurre distorsioni in gamma udibile, quando si ha un trasformatore ad elevata banda passante le distorsioni piu’ grosse introdotte dal negative feedback saranno molto oltre la soglia degli ultrasuoni.
Come aumentare il fattore di Smorzamento
Prendendo in considerazione solo il mondo valvolare ci sono diversi modi per aumentare il fattore di smorzamento (o diminuire la Rout di uscita che e’ la stessa cosa) di un’ amplificatore, alcuni di essi sono messi in pratica frequentemente ma purtroppo spesso danno scarsi risultati e non sono senza controindicazioni.
1. Diminuire molto l’induttanza dispersa del trasformatore d’uscita: questo fa si che ci sia maggiore accoppiamento tra primario e secondario e che quindi la placca della valvola finale “senta” maggiormente l’andamento del diffusore. Scartiamo a priori i trasformatori prodotti di certi cagnacchi che sfoggiano troppo il loro titolo di “ingegnere” ma producono trasformatori avvolti a caso con piu’ di mezzo Henry di induttanza dispersa (una vera esagerazione). Prendiamo un trasformatore medio decente, diciamo con 10mH di induttanza dispersa, migliorare da 10mH a 5mH puo’ portare un’ aumento dello smorzamento di 1 o 2 unita’ al massimo, quindi diciamo che abbiamo un’ amplificatore che smorza 8 dopo smorza 9. Il problema e’ che per farlo va aumentato il sezionamento del trasformatore, con conseguente aumento delle capacita’ e diminuzione delle banda passante, quindi e’ una cosa che va valutata caso per caso, se si ha un trasformatore con una banda gia’ risicata aumentare il sezionamento ci fa aumentare di 1 lo smozamento ma portare un peggioramento di tutti gli altri paramentri.
2. Mettere in parallelo piu’ valvole: mettendo 2 valvole in parallelo si ottiene una Ri dimezzata, il problema e’ che la Ri delle valvole e’ sempre molta alta, sopratutto per i pentodi e il piu’ delle volte anche una Ri dimezzata resta ugualmente alta e il miglioramento in fattore di smorzamento e’ veramente minimo, va meglio con valvole che hanno Ri molto basse ad esempio le 2A3 che hanno una Ri di 800ohm. Pero’ mettere valvole in parallelo non e’ senza controindicazioni, purtroppo 2 valvole non sono mai perfettamente uguali. Il match delle valvole il 99% delle volte e’ fatto su un punto statico e non garantisce che l’andamento dinamico sia uguale e se anche fossero perfettamente uguali (matchate su tracciacurve e non su prova valvole) non c’e’ garanzia che restino uguali durante il loro invecchiamento, questo puo’ portare distorsione ma anche problemi di oscillazioni del circuito stesso! Genericamente dico sempre che e’ meglio usare una sola valvola grossa che 2 piccole in parallelo, quando possibile e comunque mai piu’ di 2 valvole in parallelo. Sul mercato di vedono amplificatori con 6/8 valvole in parallelo e quelli sono veri generatori di problemi. Il pushpull in classe A sarebbe in linea teorica un po’ meglio del pushpull in classe AB perche’ mostra una Ri inferiore ma il miglioramento non e’ molto in piu’ in classe A abbiamo meno potenza, maggiore dissipazione, minor durata delle valvole.
3. Usare o aumentare il tasso di contro reazione, la controreazione e’ il modo piu’ efficace per aumentare molto lo smorzamento ma anche il piu’ discusso. C’e’ molta discussione e disinformazione riguardo l’uso del negative feedback, ma il tasso di retroazione, in condizioni opportune, non e’ necessariamente un male. Come gia’ detto e ridetto nelle mie pagine se il trasformatore d’uscita ha una banda passante scarsa, le rotazioni di fase che introduce unite alla controreazione sono devastanti per il suono, siccome sul mercato sono rari i trasformatori con bande passanti elevate la “massa” si e’ messa in testa che la controreazione sia il “male assoluto” da evitare assolutamente, ma come sempre a formare questi pregiudizi c’e’ l’ignoranza e la superficialita’ tecnica dei molti, perche’ il vero problema e’ la banda passante dei trasformatori punto e fine della discussione. Se il trasformatore ha una banda passante elevata l’uso di negative feedback non introduce distorsioni e intermodulazioni in gamma udibile e quindi si puo’ godere l’aumento di smorzamento senza gli effetti collaterali del negative feedback.
In definitiva per me progettare e mettere a punto un’ amplificatore HiFi e’ come mettere a punto una macchina di formula uno, si cerca di avere il massimo da tutto ma e’ sbagliato rinunciare alle cose piu’ significative per concentrarsi su quelle meno importanti. Riprendendo l’esempio grottesco dell’inizio di questo articolo: io voglio il cavallo veloce, poi magari lo alleggerisco anche dalle pulci, altri si limitano a togliere il peso delle pulci ma a tenersi il cavallo lento.
La misura del fattore di smorzamento
Per misurare il fattore di smorzamento di deve misurare l’impedenza di uscita dell’amplificatore (Rout). Un modo semplice per farlo e’ applicare un segnale sinusoidale all’amplificatore, regolare il volume per ottenere una certa tensione sul carico (che deve essere una resistenza di valore noto uguale all’impedenza ai morsetti del trasformatore, quindi 8ohm sulla boccola da 8ohm o 4 ohm sulla boccola da 4 etc..) e utilizzare la formuletta del partitore di tensione resistivo. Note la tensione a vuoto (senza carico), con carico collegato e la resistenza di carico si risale al valore di Rout e di conseguenza al valore di smorzamento.
Rout = (tensione senza carico – tensione con carico) / (tensione con carico / resistenza di carico)
Quindi se misuro 8 volt su 8ohm e 10volt senza carico Rout e’ (10-8)/(8/8) = 2
Mentre lo smorzamento si calcola cosi’, DF = Resistenza di carico/Rout
Quindi 8/2 = 4
Attenzione ad eseguire la misura dello smorzamento
Come abbiamo visto per calcolare il fattore di smorzamento di un’ amplificatore e’ necessario misurare dal vivo la tensione ai capi di un carico e poi staccare il carico e vedere quanto questa tensione aumenta senza toccare null’altro, e poi fare i dovuti calcoli.
Purtroppo pero’ staccare il carico di un’ amplificatore a valvole non e’ sempre sicuro, se e’ un’ amplificatore costuito bene, con trasformatori ad alta banda passante e senza troppo feedback non ci sono problemi , ma altri amplificatori dove i trasformatori non sono il massimo e che usano una tonnellata di feedback, e sopratutto se di grossa potenza, se privati del carico potrebbero entrare in auto-oscillazione con effetti imprevedibili e a volte anche devastanti (perche’ le componenti parassite del trasformatore d’uscita variano al variare del carico e per via delle rotazioni di fase il negative feedback diventa da negativo a positivo ad una certa frequenza di risonanza interna e trasforma il circuito in un’ Oscillatore Meissner vedi wikipedia generando al contempo tensioni reattive molto alte nei trasformatori d’uscita).
Un Audio Research V70 e’ stato scollegato accidentalmente da una delle casse quando era acceso e ha tirato giu’ il contatore di casa e sfondato il suo trasformatore di alimentazione da quasi 1kW. Altri amplificatori potrebbero rovinare il circuito stampato con scariche di alta tensione tra le piste o guastare gli stessi trasformatori di uscita per scariche interne. Quindi non effettuate questa prova se non siete sicuri di non far danni.
Un modo per non fare danni e’ quello di usare il variac per alimentare l’amplificatore un poco alla volta, tenendo l’oscilloscopio connesso alle boccole di uscita. Si da su tensione un poco alla volta provando anche a iniettare segnale all’ingresso, appena si nota il minimo segno di un’inizio di oscillazione all’uscita si spegne e si abbandona l’idea di effettuare la misura, avendo tenuto l’amplificatore sotto alimentato con le valvole fredde e bassa anodica non si causeranno danni.
Il mito della corrente
Facciamo chiarezza su una cosa si cui molti parlano in modo poco chiaro (perche’ poi loro stessi non sanno cosa stanno dicendo). Alcuni dicono che l’amplificatore a transistor pilota meglio perche’ eroga piu’ corrente di quello a valvole, la frase detta cosi’ pero’ ha ben poco senso, praticamente stanno parlando della Rout (e di conseguenza dello smorzamento) ma la frase buttata cosi’ e’ priva di valore, perche’ a parita’ di potenza tra il transistor e il valvolare poi dipende dalla Rout dei 2, ok che con i transistor fare 200Watt e’ facile con le valvole no, ma paragoniamo cose uguali: io ho detto “a parita’” quindi transistor da 10Watt contro Valvolare da 10Watt e il risultato non e’ cosi’ scontato come i signori del silicio credono.
L’amplificatore a transistor e’ un’amplificatore di corrente mentre quello a valvole un’amplificatore di potenza: in parte vero in parte falso perche’ per avere un’amplificazione puramente in corrente dovreste avere un carico tendente a zero, una voragine nella quale riversare vagonate di Amper, ma purtroppo i carichi reali non sono tendenti a zero, quindi ai capi di essi si forma una caduta di tensione e la corrente e’ limitata da questa resistenza/impedenza, quindi alla fine l’amplificatore di corrente e’ costretto a comportarsi pure lui come un’ amplificatore di potenza, che e’ costretto ad aumentare la tensione ai capi del carico per riuscire a far passare piu’ corrente quindi piu’ potenza.
Mi limito a dire che c’e’ un momento (molto breve) nella dinamica di un’ altoparlante, e piu’ precisamente quando il cono e’ protratto in fuori e comincia il suo rientro, in cui la sua impedenza diventa molto bassa pari quasi alla resistenza del solo avvolgimento di rame della bobina mobile, momento nel quale un’amplificatore a transistor potrebbe riuscire a riversare tantissima corrente, quanta gliene permette la resistenza della bobina sommata a quella dei cavi. Il fatto che questo brevissimo spunto di corrente serva effettivamente a qualcosa pero’ e un’altro paio di maniche, perche’ per quel brevissimo istante l’altoparlante seguira’ la sua corsa per la sua inerzia punto e basta.
C’e’ chi dice che avendo gli amplificatori a valvole un trasformatore d’uscita, che altro non e’ che un’ adattatore di impedenza, soffrono il disadattamento d’impedenza, cioe’ quando l’altoparlante non mostra la sua impedenza nominale, e per un’altoparlante e’ normale mostrare un’impedenza molto diversa da quella nominale al variare della frequenza , anche qui c’e’ del vero e del falso esposto in modo fazioso o da semplici ignoranti perche’ e’ vero che al variare del carico sul secondario ho delle variazioni anche dell’impedenza primaria del trasformatore con conseguente variazione della retta di carico, quindi quando l’impedenza di un’ altoparlante scende mi si impenna la retta di carico vista dalla valvola finale con conseguente limitazione di potenza erogata…
Dovrei fare un’altro articolo dove spiego la rette di carico ma per essere brevi: se il finale e’ un pentodo, al di sotto di una certa impedenza primaria minima non corrisponde un’ aumento significativo della corrente che riesce ad erogare la valvola e quindi vi e’ una diminuzione della potenza, mentre se il finale e’ un triodo potrei avere una limitazione fisiologica della corrente che puo’ erogare il catodo e quindi avere ugualmente una diminuzione di potenza, quello che pero’ i faziosi non dicono (o piu’ probabilmente non sanno, perche’ si son convinti che il trasistor e’ superiore senza sapere abbastanza del valvolare) e’ che se io non sono un fesso e so progettare potrei prevedere un trasformatore d’uscita con un’impedenza primaria piu’ alta di quella che si usa normalmente, in questo modo avrei una retta di carico piu’ coricata, che lavora piu’ in tensione e quando il carico mostrato dall’altoparlante scende e la retta inizia a impennare la valvola avrebbe molto piu’ spazio per riuscire ad erogare ugualmente la potenza che deve erogare prima di arrivare al suo limite. Purtroppo queste cose spesso non le conosce nemmeno chi progetta e costruisce a valvole… vedono che il datasheet della 2A3 suggerisce di usare un trasformatore da 2500ohm e quello ci mettono, non vanno a pensare che quel datasheet e’ stato scritto nel 1930 e che la 2A3 era pensata inizialmente per radio in onde medie/lunghe, non ragionano su nulla.