In questo post trovi risposte alle domande:

• come faccio a riconoscere l’ampli migliore per il mio impianto audio?
• quali sono le caratteristiche più importanti di un amplificatore audio?
• è facile costruire un impianto audio fai da te?
• cosa mi serve per costruirlo?

Vediamo di rispondere alle domande che ti starai facendo, e che francamente ci facciamo tutti prima di costruire il nostro piccolo, o grande, impianto audio HiFi.

Come riconoscere

i migliori amplificatori audio

Ci sono almeno tre modi per riconoscere un buon amplificatore audio:

• analizzare le prestazioni tecniche sul datasheet dell’integrato o i dati tecnici forniti dal costruttore
• sentire con le proprie orecchie e valutare secondo il piacere o nitidezza del programma musicale
• fare una misura con generatori di segnale e analizzatori di spettro

Non è facile analizzare le prestazioni tecniche senza avere un minimo di conoscenza dell’elettronica. Cercherò di farlo nel prossimo capitolo.

Anche sentire con le proprie orecchie non è da tutti. Non perchè non hai buone orecchie, non fraintendermi ! Ma sai riconoscere una distorsione del suono ? L’orecchio va allenato per ascoltare e riconoscere la musica. Per esempio è importante conoscere il suono degli strumenti “veri” sentiti dal vivo, suonati in fronte a te da grandi musicisti e senza amplificazione.

Qui sotto vedi una rappresentazione grafica di un suono distorto (per la precisione distorsione di clipping) e dello stesso suono non distorto (linea blu).

La distorsione del suono, se non lo sai, avviene quando senti un suono sgradevole o gracchiante. Come se la cassa acustica fosse rotta, o comunque la musica ti produce una non rilassante sensazione. Alcuni gruppi musicali sono diventati famosissimi grazie alla distorsione applicata ai propri strumenti musicali.

Il video dei Nirvana ti fa sentire suoni “puliti” e suoni “distorti”. Anche la voce del cantante ad un certo punto distorce.

Amplificatori audio

Le caratteristiche tecniche più importanti

Quali sono le caratteristiche più importanti che influenzano la riproduzione del suono?

• la tipologia del circuito amplificatore
• la qualità del circuito elettronico e dei componenti utilizzati
• la qualità dell’alimentatore e la reiezione ai disturbi elettrici
• la banda passante
• il rumore residuo, cioè di sottofondo
• la distorsione armonica totale THD

Tipologia del circuito di amplificazione

La tipologia del circuito influisce, e non poco, sulla qualità del suono riprodotto. Ho già affrontato questo argomento in dettaglio nel mio precedente post Amplificatore audio fai da te per chitarra.

Per riassumere, secondo i pareri degli esperti, il migliore circuito è quello in classe A e quello in classe D.

Il circuito in classe A è molto più costoso perchè ha un basso rendimento elettrico. Il che significa grossi e potenti alimentatori e dissipatori di calore pesanti. Questo circuito ha un rendimento massimo inferiore al 25% (con accoppiamento a trasformatore il massimo teorico è il 50%).

Ciò significa che più della metà della potenza viene “buttata” in calore. In inverno ci farà anche da termosifone perchè il  suono che esce da questo amplificatore è morbido e caldo. Inutile dire che un ottimo ampli in classe A se lo possono permettere in pochi, dato il suo alto costo.

Con questa circuitazione si utilizzano valvole termoioniche. Ma abbiamo visto nel mio precedente post “come costruire il migliore amplificatore audio fai da te” che si può costruire anche con transistor e mosfet.

Di solito questo ampli è costruito a partire dai singoli componenti saldati sua una scheda elettronica, detta anche circuito stampato PCB. E’ un ottimo circuito per il fai da te, perchè si possono utilizzare tutti componenti discreti e a tecnologia TH.

La circuitazione in classe D ha un altissimo rendimento, di solito almeno del 90%. Ciò significa che l’amplificatore scalderà pochissimo. Il suono che esce da questo tipo di ampli è profondo nei bassi e dettagliato negli acuti. In questo circuito il suono viene “ricostruito” modulando il segnale audio con un segnale PWM. La frequenza del segnale di base PWM determina la grandezza dei componenti utilizzati. Più la frequenza è alta più i componenti di potenza (induttante e condensatori di filtro in uscita) sono piccoli o addirittura inesistenti.

Qualità dei componenti

Nell’elettronica ci sono componenti più adeguati di altri per assolvere il compito di amplificare il segnale audio. Per esempio la tecnica di costruzione di un condensatore, cioè quali materiali lo compongono, determina la qualità del suono degli amplificatori audio.

Questo perchè il suono è, a livello elettrico, un’onda a frequenza variabile. Il suono è fondamentalmente fatto di segnali elettrici transistori, cioè è di natura impulsiva. Per “seguire” questi transistori ed amplificarli al meglio si devono usare componenti “veloci”. I migliori condensatori hanno una bassa resistenza serie ESR. Non variano le loro caratteristiche nel tempo o al variare della tensione/corrente a cui sono sottoposti. Dovrebbero avere anche una bassa induttanza parassita.

Un esempio a basso costo sono i condensatori in polipropilene ed i condensatori elettrolitici a basso ESR. I primi vanno bene sia per il condensatore di blocco sia all’ingresso che all’uscita dell’amplificatore, sia nello stadio di alimentazione. Questi condensatori hanno una bassa capacità che si traduce in limitata ampiezza di banda, se accoppiati con una bassa impedenza (per esempio l’impedenza dell’altoparlante). Sono più ingombranti, a parità di capacità, rispetto ai condensatori elettrolitici.

I condensatori elettrolitici hanno al loro interno un elettrolita, cioè un liquido. E’ importante capire come la loro capacità varia al variare della tensione e della frequenza del suono. Si devono preferire quelli che hanno una variazione minima del loro valore di capacità al variare dei parametri elettrici a cui sono sottoposti. Per il circuito di alimentazione di un amplificatore audio sono consigliati i condensatori elettrolitici a basso valore di ESR.

La qualità dell’alimentatore

L’alimentatore fondamentalmente raddrizza la corrente alternata a 50/60 Hz proveniente dalla nostra presa di casa e la trasforma in tensione e corrente continua adatta per essere utilizzata negli amplificatori audio. La forma d’onda della corrente alternata è una sinusoide, e pertanto quando ha una frequenza di 50/60 Hz è udibile come un suono molto basso. Se l’alimentatore non filtra al meglio questa frequenza la sentiremo, più o meno forte, come sottofondo musicale.

L’alimentatore è importante perchè è una riserva di energia/corrente elettrica. Abbiamo già detto che la musica è piena di suoni transistori (burst o impulsi) che utilizzano molta energia per un tempo molto breve. Per avere un suono il più fedele possibile all’originale l’alimentatore deve possedere una impedenza interna dinamica il più bassa possibile.

La banda passante

Viene definita banda passante la gamma di frequenze sonore che gli amplificatori audio riescono a riprodurre. Una banda passante compresa tra i 20 Hz e i 20 kHz è sufficiente per riprodurre i suoni musicali. Una banda passante più estesa migliora la riproduzione degli impulsi sonori. Ricordiamo che il nostro orecchio riesce a “riconoscere” ed apprezzare i suoni in una più ristretta banda sonora, a seconda dell’età e delle condizioni uditive di ogni singola persona.

Il rumore residuo o di sottofondo

Possiamo definire il rumore in generale come un suono sgradevole o un ospite inatteso nel nostro programma musicale. I rumori tipici sono il residuo di alternata, che dipende dalla qualità dell’alimentatore, e il rumore bianco/termico intrinseco ai dispositivi di potenza a transistor.

Il rumore bianco può essere anche un rumore rilassante. Senti il rumore generato da un fiume di montagna !

Distorsione armonica THD

E’ un numero che indica quanto è fedele il suono generato dall’amplificatore rispetto al suono di ingresso. Si misura elettricamente facendo un confronto con un misuratore di spettro audio, che misura l’energia delle varie frequenze sonore nel campo audio. Più il numero è basso e più, teoricamente, l’amplificatore audio riproduce fedelmente la musica.  Il THD varia al variare della potenza di uscita e della impedenza di uscita. Un amplificatore audio HiFi deve avere una distorsione armonica totale (Total Harmonic Distortion) minore del 1%.

Se, per esempio, iniettiamo in ingresso all’amplificatore una onda sinusoidale pura, cioè con distorsione nulla, di frequenza 1 kHz la distorsione dell’amplificatore è data dal rapporto della somma della potenza delle frequenze diverse da 1 kHz rispetto alla potenza dell’onda sinusoidale ad 1 kHz. Questo calcolo deve essere fatto con uno strumento specifico chiamato analizzatore di spettro.

Ci sono vari progetti di analizzatore di spettro fatti con la scheda a microprocessore Arduino. Attenzione ad avere una frequenza di campionamento almeno doppia rispetto alla larghezza di banda da analizzare. Nel caso della banda audio la frequenza di campionamento dell’analizzatore di spettro deve essere almeno 40 kHz. Qui trovi un buon progetto con Arduino analizzatore di spettro audio.

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e-book interattivo sulla fisica del suono (lingua inglese)

Come risolvere distorsioni in uno studio di registrazione (lingua inglese)

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Spiegazione dei parametri parassiti di un condensatore

Come misurare il valore di ESR nei condensatori

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Per ogni cosa che vuoi costruire puoi affidarti al caso o creare un progetto. Non devi  necessariamente essere un ingegnere della Nasa per creare un progetto.

Un progetto non è altro che una lista di cose da fare per arrivare a costruire qualsiasi cosa: nel nostro caso un amplificatore audio per chitarra. E’ utile per suddividere le varie fasi, soprattutto quando quello che vuoi fare ti richiederà del tempo.

Ti aiuta a focalizzarti, e dare delle risposte, per ogni dettaglio del progetto. Beh! spero di averti convinto a seguire il tedioso lavoro di creare un progetto per costruire il tuo ampli per chitarra insieme a me.

Da dove partire?

la potenza musicale

E’ la domanda che mi sono posto per arrivare a progettare e costruire il mio ampli per chitarra. Devi rispondere alla domanda: quanta potenza musicale mi serve ?

La risposta cambia a seconda del genere musicale e dalla tua chitarra. Se intendi amplificare una chitarra acustica in sala prove è diverso che in un concerto con migliaia di persone.

Se vuoi amplificare una chitarra elettrica heavy metal allora avrai bisogno di tanta potenza, ma soprattutto di orecchie intercambiabili

Diciamo che il mio ampli deve andar bene per suonare in casa, in sala prove e anche in piccoli concerti. Direi che una potenza dai 15 ai 50 Watt è più che sufficiente.

Hai provato a sentire una chitarra distorta con un Marshall da 100 Watt ? Io si e ti assicuro che non riesci ad usarlo a tutto volume neanche in una sala prove ben insonorizzata. Poi non fare il solito chitarrista ? Abbassa il volume, non ci sei solo tu nella band !!!

I Watt questi sconosciuti !

La legge di Ohm e di Joule

La legge di Ohm e di Joule ci dicono che la potenza musicale RMS (P) è calcolabile conoscendo la impedenza dell’altoparlante (R) e la tensione di uscita dell’amplificatore audio (V).

La formula è la seguente: P = V * V / R

e il suo inverso è: V = √ ( P * R )

Creo una tabella con la potenza desiderata, l’impedenza della cassa acustica collegata all’amplificatore e stabiliamo così, a grandi linee, la tensione dell’alimentatore collegato all’amplificatore:

Potenza P          Impedenza R          Tensione V

15 Watt               8 Ω                             12 Volt RMS

50 Watt              8 Ω                             20 Volt RMS

15 Watt               4 Ω                             8 Volt RMS

50 Watt              4 Ω                             14 Volt RMS

Questa tabella è teorica e non tiene conto dei rendimenti dell’amplificatore audio utilizzato.

Gli amplificatori Marshall hanno taglie di potenza di 5W, 15W, 50W e 100W. Questo ci dice che con i nostri ragionamenti non siamo tanto distanti dalle scelte dei grandi del settore.

Il circuito elettrico di un

amplificatore audio per chitarra

I circuiti elettrici degli amplificatori audio si dividono in almeno tre categorie:

• amplificatori in classe A
• amplificatori in classe AB
• amplificatori in classe D

Amplificatore audio classe A

L’amplificatore in classe A è stato utilizzato agli albori degli amplificatori audio. Ha un basso rendimento, ma un ottima musicalità. I dispositivi di potenza scaldano (intendo i transistor/mosfet) in modo considerevole all’aumentare della potenza dell’amplificatore.

Necessita di alimentatori potenti e schede elettroniche grandi per contenere tutti i dispositivi di potenza e dissipatori, all’aumentare della potenza musicale. E’ facile da realizzare, almeno per piccole potenze.

Amplificatore audio classe AB

E’ un amplificatore audio inventato per migliorare il rendimento elettrico dell’amplificatore in classe A. E’ composto da due dispositivi amplificatori che lavorano alternativamente per amplificare l’onda positiva e negativa dell’onda sonora.

Vengono utilizzati con una retroazione negativa (feedback) che stabilizza e migliora il suo funzionamento. Ha un difetto: amplificando le due semionde con due dispositivi differenti crea una distorsione di inter-modulazione. In pratica non riesce ad amplificare la porzione di segnale audio “vicino” alla tensione 0 Volt.

Sono stati creati circuiti integrati (chip integrati a stato solido-solid state) che hanno al loro interno tutti i componenti per realizzare un amplificatore audio. Costano meno degli amplificatori in classe A. La loro resa sonora è “discutibile”.

Amplificatore audio classe D

E’ un amplificatore non in senso stretto in quanto utilizza una tecnica di conversione di segnale analogico che diventa una modulazione PWM. In pratica questo amplificatore spegne e accende il dispositivo di potenza in proporzione alla tensione del segnale audio presente al suo ingresso.

Se privo di retroazione negativa (feedback) è un amplificatore che può dare molta soddisfazione sia a livello di musicalità (in gergo “come suona”) che di rendimento elettrico. Questo si traduce in amplificatori dal costo contenuto, che “riscaldano poco”, “suonano bene” e sono poco ingombranti.

Ci sono chip integrati dotati di tutta la complessa circuitazione necessaria per realizzarli. Attualmente sono gli amplificatori più utilizzati anche in ambito professionale per amplificare i concerti e i grandi eventi.

Amplificatore valvolare

Le valvole termoioniche sono state utilizzate agli albori dell’elettronica al posto di transistor e diodi. I primi computer complessi sono stati realizzati con migliaia di questi dispositivi. Tutt’oggi vengono apprezzate per il suono “caldo” che viene conferito alla musica amplificata con questi dispositivi di potenza.

Non sono di facilissima reperibilità e sono più costose di un normale transistor o mosfet. Si dice che producono un suono vintage. In effetti in molti amplificatori di marca o Hi-End vengono tuttora utilizzate con soddisfazione dai musicisti di tutto il mondo.

Le valvole termoioniche sono alimentate con una tensione che arriva anche a 300 Volt continui, per cui se non vuoi prenderti la scossa elettrica guarda bene dove metti le mani

Amplificatore Solid State

E’ un amplificatore che utilizza un chip integrato. Normalmente viene prodotto con dispositivi quali i transistor. Questi amplificatori utilizzando principalmente la configurazione in classe AB con retroazione.

Possono avere differenti taglie di potenza a partire da 1 Watt fino ad arrivare a qualche centinaio di Watt.

Amplificatore a Mosfet

E’ realizzato con i dispositivi Mosfet. Gli estimatori lo ritengono un amplificatore simile, musicalmente, agli amplificatori valvolari.

la cassa acustica

come aumentare potenza e musicalità

Un ampli per chitarra è composto da un alimentatore, un amplificatore ed un contenitore, comunemente detto cassa.

Abbiamo già visto come la classe del circuito di amplificazione è importante per costruire un ottimo amplificatore audio.

Le casse acustiche sono il dispositivo che trasforma la tensione elettrica in potenza sonora (onde acustiche). Fondamentalmente è costruita con un magnete ed una bobina induttiva “appiccicata” al cono (in inglese “cone”), una semisfera costruita con carta pressata (le casse di ultima generazione utilizzano fogli misti con alluminio per aumentare la resa acustica-potenza senza appesantire il cono).

Nel settore dell’ascolto audio, cioè noi che ci mettiamo comodi su un divano ad ascoltarci la nostra musica preferita, è importante come “suona” la cassa.

E’ per questo motivo che si utilizzano legni particolari per le loro qualità di risuonare con le onde acustiche e di conseguenza aumentarne la potenza o la musicalità. E’ lo stesso principio che si utilizza negli strumenti a corda, a parte certe chitarre elettriche amplificate.

Negli amplificatori per chitarra elettrica si usano casse che non hanno particolari doti acustiche. Sono casse aperte in modo tale da non creare particolari risonanze acustiche.

L’amplificatore per chitarra in alto ha una sola cassa acustica da 12″ (circa 30 centimetri di diametro) Celestion, una delle più apprezzate marche di casse audio.

L’impedenza di questa cassa acustica è di 16 Ohm per 40 Watt di potenza. E’ dotato di un amplificatore valvolare.

Finisce qui la prima parte del progetto “Amplificatore audio per chitarra fai da te”. Se ti è stato utile e ti è piaciuto  “stay tuned” e ci vediamo al prossimo post.

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