Amplificatore 55 W + 55 W basato sull'ESP P3A

Non disponendo di un sistema decente per ascoltare musica, mi sono deciso un bel giorno di tentare di risolvere questo problema. Dopo 25 anni di pratica di elettronica a diversi livelli, mi sono infine cimentato nella realizzazione di un amplificatore di potenza. E' stata la prima volta che ho fabbricato qualcosa di simile e l'ho fatto per avere un'opportunità per farmi un po' di esperienza in campo audio. Mi sono grandemente ispirato al progetto P3A di Rod Elliott, descritto in questa pagina:

Mi sono concesso il vezzo di apportare una piccola modifica allo stadio di ingresso, adoperando uno specchio di corrente come carico attivo per la coppia differenziale. In questo articolo, descriverò molto brevemente lo schema elettrico, mostrerò qualche foto della mia realizzazione e farò alcuni commenti sui risultati di misura ottenuti al banco.

Ecco lo schema elettrico del mio amplificatore:

Per chi fosse interessato, qui si trova il codice sorgente dello schema elettrico, in formato FidoCadJ. All'inizio, pensavo che avrei dovuto ritoccare la rete di compensazione, ed in particolare il valore del condensatore C3 per assicurare la stabilità del circuito. Questo perché il guadagno di anello viene modificato a causa della presenza dello specchio di corrente. All'atto pratico, non è stato invece necessario. Rod Elliott vende dei circuiti stampati molto validi per il suo P3A, ma nel mio caso ne ho fatti di nuovi, sia a causa delle piccole modifiche effettuate, sia a causa del fatto che il circuito originale non poteva entrare nel contenitore che avevo previsto. Il file in formato FidoCadJ è disponibile qui. Per chi preferisse, ho anche preparato una serie di esportazioni PDF dei layer più importanti del circuito stampato. Ecco il circuito:

Per capire il funzionamento di questo amplificatore, suggerisco vivamente di leggere l'articolo di Rod Elliott (ma attenzione, i nomi dei componenti cambiano sulla mia variante). Ricordo qui solamente che il circuito è in pratica un amplificatore differenziale in cui Q1 e Q2 formano una coppia differenziale. Q5 alimenta la coppia funzionando come generatore di corrente. Q3 e Q4 sono uno specchio di corrente e Q6 dà il suo contributo aumentando il guadagno d'anello. Q7 è utilizzato come moltiplicatore di Vbe per polarizzare lo stadio di uscita, formato da due coppie Sziklai. C5 è il condensatore di bootstrap utilizzato per mantenere elevato il guadagno ottenuto da Q6. La stabilità del circuito è assicurata dalla rete di Zobel C6 e R16, nonché dai condensatori C3 e C7.

Iniziamo con una foto dello stampato quasi finito:

E' più che probabile che la modifica che ho apportato non incrementi significativamente le caratteristiche del circuito. Diciamo che mi ero messo in testa di provarla e l'ho pertanto adottata. Se qualcuno volesse fabbricare questo circuito, consiglio di adottare la configurazione proposta da Rod Elliott e basare il proprio lavoro sui suoi circuiti stampati. Suggerisco anche di adottare la procedura che Rod consiglia per regolare il valore della corrente di polarizzazione dei finali. Il punto più importante è che il trimmer (R9 nel mio circuito, VR1 in quello di Rod) deve essere ruotato nella configurazione di massima resistenza prima di dar corrente al circuito e durante la prima prova gli altoparlanti NON devono essere collegati. Il punto di polarizzazione che ho utilizzato corrisponde ad ottenere 50 mV fra i collettori di Q9 e Q11 in assenza di segnale in ingresso. Ecco qui di seguito una fotografia dell'amplificatore montato nel suo contenitore, con sopra il piccolo mixer che utilizzo al posto di un preamplificatore. Questa configurazione non è certo definitiva, anche per quanto riguarda il pannello frontale: devo trovare un modo per ottenere una configurazione esteticamente valida.

Ecco una fotografia dell'interno dell'amplificatore. Mi piacerebbe fissare i cablaggi con fascette plastiche, ma per il momento tutto è ancora abbastanza provvisorio, di modo da eliminare tutti i problemi di loop di massa che possono presentarsi. Vorrei anche includere una protezione per gli altoparlanti ed un paio di VU meter.

Ho montato quattro dissipatori in alluminio sui fianchi del mobile, ognuno dichiarato per una dissipazione termica di 1,4 K/W. Questi dissipatori sono probabilmente più adatti ad essere disposti verticalmente, ma sono stato costretto a disporli in orizzontale a causa dello spazio a disposizione. Ecco quindi un'altra immagine dell'amplificatore, in cui si vedono i morsetti del segnale di uscita ed i connettori RCA per l'ingresso. Le scritte sono ispirate al retro di un vecchio amplificatore Marantz degli anni settanta.

Ecco una vista dei condensatori elettrolitici di filtro, con i transistor finali montati sui dissipatori. A piena potenza, al limite della tosatura con un'onda sinusoidale, ho misurato una potenza compresa tra 52 e 54 W di media per canale, su un carico di 8 ohm. I dissipatori termici sono fatti per resistere a questa condizione per ore, ma penso che non si verificherà molto di frequente, se non altro per il rispetto che devo ai miei vicini di casa! Non sono attrezzato per realizzare misure di distorsione (non è qualcosa che si apprezzi con il solo oscilloscopio), ma ho fatto molta attenzione ad evitare autooscillazioni.

Una volta completato l'amplificatore, ero ovviamente curioso di venire a conoscenza delle sue caratteristiche più importanti. Per il momento, non sono equipaggiato per fare misure affidabili di distorsioni, ma ho cercato comunque di determinare la potenza massima fornita ad un carico da 8 ohm. Prima di tutto, mi sono quindi costruito un carico passivo mettendo in parallelo 7 resistenze da 56 ohm e capaci di dissipare 10 W ciascuna. Sebbene in teoria la potenza massima sopportabile da tale configurazione sia dalle parti di 70 W, le resistenze diventano molto calde quando si superano i 30 o 40 W. Non sembra comunque che soffrono particolarmente anche con temperature superiori ai 100°C. Le due foto che seguono mostrano il segnale in uscita con eccitazione sinusoidale. Con la prima immagine, siamo al limite della tosatura e stiamo fornendo una potenza compresa tra 52 e 54 W in media. Il circuito potrebbe fornire qualche watt in più senza particolari problemi, incrementando leggermente la tensione d'alimentazione. Nel mio caso, ho utilizzato un trasformatore toroidale capace di fornire 24 V + 24 V, il che vuol dire che sotto carico la tensione di alimentazione dopo il raddrizzatore scende un po' sotto i 35 V + 35 V nominali.

Il circuito ha funzionato perfettamente praticamente fin dal primo colpo, ma ho dovuto aumentare il valore dei condensatori C8 e C9 rispetto a quanto originariamente preventivato (100 nF). Questo ha permesso di evitare un'autooscillazione che appariva quando iniziavo a prelevare più di una decina di watt di potenza dal circuito. Per evitare problemi di surriscaldamento, ho provato l'amplificatore a piena potenza per più di un'ora. I dissipatori diventano caldi in questo caso, ma la temperatura è tale che ci si può sempre posare una mano sopra e pure i transistor possono essere toccati senza scottarsi.

Ho potuto realizzare delle misure di distorsione sull'amplificatore, grazie ad un analizzatore di spettro Brüel & Kjaer 2034, con una finestra di Hanning. E' interessante misurare la distorsione (nonché le sue caratteristiche) quando si prova a determinare la potenza massima fornibile dall'amplificatore. La misura all'oscilloscopio non è difatti molto affidabile, perché è molto difficile valutare a schermo un valore di distorsione anche moderato su un segnale sinusoidale.

Per questo, ho iniettato un segnale sinusoidale à 1 kHz in ingresso all'amplificatore. Ne ho regolato l'ampiezza per ottenere una distorsione dell'ordine dell'1% su un carico resistivo da 8 ohm (il segnale originale aveva già di suo una distorsione dell'ordine dello 0,4%). Il segnale in uscita aveva una ampiezza efficace di 21,13 V, che corrisponde a 55,8 W. La traccia in alto nello schermo dell'analizzatore mostra lo spettro in ingresso dell'amplificatore, mentre quella in basso mostra lo spettro misurato sul carico. E' interessante notare che la distorsione è visibile soprattutto sulle armoniche dispari ed inoltre la larghezza delle righe è notevolmente aumentata rispetto allo spettro originario. Quest'effetto è dovuto alla modulazione a 100 Hz che deriva dall'ondulazione sulla tensione di alimentazione che modula la distorsione. Questo non avviene se l'amplificatore opera normalmente, fuori dal regime di tosatura dei segnali. In condizioni più ragionevoli, l'amplificatore è molto silenzioso e la distorsione armonica non è misurabile con i miei apparecchi di misura (probabilmente, è inferiore ad un buon 0,1%).

Qui si può osservare il danno fatto dal tempo sulle casse acustiche che vorrei utilizzare con questo amplificatore. RCF è una marca italiana e da quanto ho capito questo modello è di qualità sufficiente a suggerirne un tentativo di riparazione. Vorrei ripararmi da me gli altoparlanti, se riuscissi a reperire una sospensione adatta (questo è stato scritto nel 2011, vedi sotto!)

Nel gennaio 2015 (come macina il tempo!), sono stato in grado di ordinare e di ricevere le sospensioni adatte in foam e di riparare i woofer. Ho dovuto sostituire anche parte dell'assorbente acustico all'interno dei midrange perché tendeva a sbriciolarsi. Constatato il funzionamento del tutto, ho ritoccato la risposta delle casse utilizzando un attenuatore, per adattarla alla risposta acustica del mio soggiorno. Adesso sono abbastanza contento del risultato ottenuto e posso confermare la bontà delle casse RCF originali. In basso, è visibile uno spettro a 1/3 di ottava della cassa acustica che utilizzo per il canale sinistro. Ho usato un microfono Sennheiser e845 che è un microfono ipercardioide da canto e non da misura, ma permette comunque di farsi un'idea. Ho scritto io il software per fare le acquisizioni via GPIB dall'analizzatore di spettro B&K 2034, è disponibile gratuitamente su GitHub sotto licenza GPL v.3.

Ho descritto in quest'articolo la realizzazione di un amplificatore audio basato sul progetto P3A di Rod Elliott. Ho descritto il circuito e le modifiche che ho apportato al progetto originale, ho mostrato alcune fotografie del mio prototipo ed ho commentato alcuni risultati di misura. Esso è capace di fornire una potenza massima compresa fra 52 e 54 W medi con eccitazione sinusoidale. Sono stato molto soddisfatto della mia prima realizzazione di un amplificatore stereo; il circuito proposto da Rod Elliott si è dimostrato efficace e robusto. La potenza massima alla fine è stata un po' inferiore rispetto ai 60 + 60 W che erano il mio primo obiettivo, ma è purtuttavia più che sufficiente per le mie esigenze. La ragione di questo è da ricercarsi in un'alimentazione un po' sottodimensionata per quanto riguarda la tensione fornita al circuito.