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Classe-G con un semplice LM759
Classe-G con un semplice LM759
di [user #16055] - pubblicato il

Gli amplificatori ad alta potenza per i grandi impianti audio richiedono efficienza e un'adeguata dissipazione del calore. È il caso dei finali in classe-G, che il nostro lettore TidalRace ha messo sotto il microscopio per analizzarne i principi di funzionamento.
La classe-G è un tipo di configurazione che prevede un circuito derivato dalla classe-AB, ma potrebbe essere anche un classe-A o un classe-B, con almeno due livelli di tensione diversi nell’alimentazione.
Per i piccoli e medi segnali, si adotta una tensione minore e quindi minori saranno gli assorbimenti, mentre per i livelli più alti, una tensione maggiore darà un segnale di maggiore potenza e maggiore assorbimento. Naturalmente potrebbero essere adottati più livelli di tensione diversi, spaziati in maniera opportuna per migliorarne il rendimento, complicando però il circuito.

A differenza della classe-AB, il cui rendimento è sempre inferiore al 78,5%, qui si può arrivare al limite teorico del 85,9%, ma la differenza tra le due classi è decisamente maggiore. Occorre infatti fare la differenza tra il valore medio, poniamo il 70% per la classe-AB e la sua alimentazione che vale il 100%, per calcolare quanta energia viene dispersa in calore. Se abbiamo un finale da 700 watt in classe-AB, ben 300 watt se ne andranno in calore, dannoso per se stesso, perché occorre smaltirlo con una ventilazione forzata, mentre un finale di pari potenza ma in classe-G potrebbe dissiparne “solo” 175 watt, calcolando un rendimento medio del 80%.

In genere questa circuitazione viene utilizzata per amplificatori di una certa potenza a stato solido, che spesso superano i 2.000 watt, in teoria sarebbe possibile anche utilizzare un finale a valvole, ma i due o più punti di lavoro per le diverse tensioni dovrebbero essere anche accompagnati da un cambio di impedenza del trasformatore, complicando troppo il circuito.

È importante stabilire il livello di tensione d’ingresso, necessario al cambio di tensione, che deve avvenire in tempi rapidissimi, sia in ascesa, sia in discesa. Anche il valore della tensione d’alimentazione minore non deve essere troppo basso, per non farlo salire subito a quella superiore, né troppo alta per non vanificare tutti i vantaggi di questa classe.
Noi ci baseremo sulla versione più semplice a due livelli per capirne il funzionamento, tramite uno schema con un piccolo circuito integrato.

Classe-G con un semplice LM759

Il modello JBL SDA-2200

Il JBL Synthesis SDA-2200 è un esempio di amplificatore in classe-G stereo, che si può trovare in commercio. L’amplificatore presenta solo tre interruttori sul lato anteriore, mentre nel pannello posteriore ha una nutrita serie di connettori d’ingresso e uscita di vario tipo. La potenza di questo amplificatore va dai 2x225 watt su otto ohm ai 2x380 watt su quattro ohm, mentre nel collegamento a ponte dichiara 790 watt su otto ohm. Il consumo massimo stimato è di 1.500 watt, ha dimensioni di 433x177x425 mm, pesa 18 Kg e costa circa 3.500 dollari. Per ottenere queste potenze, a differenza per esempio della classe-D, sono necessari trasformatori d’alimentazione grandi, robusti e pesanti, condensatori elettrolitici con valori di capacità e tensione notevoli, di una serie di transistor di potenza e di un bel dissipatore in alluminio che ne fa crescere peso e dimensioni.

Classe-G con un semplice LM759
Schema di un semplice ampliificatore in classe-G

Il circuito in esame è basato su un integrato chiamato LM759, che riesce a erogare 2,5 watt a 32 ohm con un’alimentazione duale di 15 Volt (+15V / -15V). All’ingresso abbiamo un filtro passa-banda composto da C1-R1-C2-R2 e sulla rete di controreazione del X1, altri quattro componenti passivi siglati C3-R3-C4-R4 che ne stabiliscono il guadagno e la banda passante.
Il segnale in ingresso arriva anche a due comparatori X2 e X3 che, tramite D3-R5-R6 e D4-R7-R8, accendono o spengono i quattro foto-transistor siglati OP1, OP2, OP3 e OP4 che fungono da interruttori.
OP1 si occupa d’attivare la tensione maggiore positiva (+15V) per la semi-onda positiva, OP2 la tensione maggiore negativa (-15V) sempre per la semi-onda positiva, mentre OP3 e OP4 fanno altrettanto per la semi-onda negativa. In questo modo grazie alla velocità di X2 e X3 e dei foto-transistor la commutazione avviene in tempi molto brevi.
I diodi D1 e D2 sono invece di fondamentale importanza per evitare che le tensioni più alte vadano in corto con le minori.

La risposta in frequenza a -3 dB varia leggermente fra la tensione minore e la maggiore, si estendono fra i 5 Hz fino a oltre 100 kHz per la minore e da 5 Hz a oltre 102 kHz per la maggiore con un’amplificazione a centro banda di quasi 15 dB.
La potenza calcolata dal simulatore è di 2,6 watt al 1% di THD, di 2,8 watt al 3% di THD e di 3,2 watt al 10% di THD composta per lo più da armoniche dispari, come era lecito aspettarsi dalla classe-G.

Classe-G con un semplice LM759
Test a 1.000 mVp

Alla prova di potenza e distorsione, se invio un segnale di 1 Volt di picco a 1 kHz di frequenza in ingresso, ottengo un’ampiezza del segnale di 5,42 Volt di picco sull’altoparlante che corrisponde alla potenza di 0,46 watt con distorsione nulla.
Questo livello d’ingresso, l’ho posto come limite dell’utilizzo delle due tensioni minori di +9 Volt e -9 Volt e quindi è il punto con il massimo rendimento della sua tensione operativa.

Classe-G con un semplice LM759
Test a 1.010 mVp

Già superando di poco il limite di 1 volt di picco, i comparatori e i foto-transistor attivano le alimentazioni maggiori ma solo sui picchi dei segnale ingresso e per il tempo strettamente necessario. In quei brevi istanti l’assorbimento del circuito è cresciuto, ma è stata evitata la saturazione dell’elemento attivo X1.
È visibile il piccolo ritardo dell’attivazione dell’alimentazione maggiore, che non ne compromette il funzionamento.

Classe-G con un semplice LM759
Test a 2.402 mVp

Con un segnale decisamente più ampio, l’alimentazione si ritrova al valore maggiore per più tempo rispetto al valore minore. In questo caso, l’ampiezza scelta permette di avere la massima potenza con una distorsione THD del 1%.
Il segnale infatti raggiunge la sua massima ampiezza ed è leggermente tagliato nei picchi, cosa non possibile se la tensione fosse rimasta al valore minore, visibile anche graficamente.

Classe-G con un semplice LM759
Test a 3.005 mVp

Alzando ancora l’ingresso fino a 3.005 mVolt di picco, la forma d’onda del segnale in uscita è ormai trapezoidale, con i due picchi dello stesso valore della precedente ma molto più tagliati. Il tempo di funzionamento alla tensione maggiore è cresciuto ancora un po’, la potenza è arrivata a 3,2 watt, ma la distorsione THD ora vale il 10%.

È chiaro che ci sono ottimi vantaggi nell’utilizzare questa circuitazione per potenze consistenti, non tanto per la spesa della corrente, ma per il minore calore prodotto, che è sempre un problema. Si risparmia sulle dimensioni dei dissipatori, sul peso e anche sull’utilizzo di un sistema di raffreddamento ad aria forzata.

In questo esempio è invece logico che un risparmio di pochi decimi di watt, non giustifica l’utilizzo di un circuito più complesso e costoso.
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Le classi degli amplificatori
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