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Classe-H - L'evoluzione della classe-G
Classe-H - L'evoluzione della classe-G
di [user #16055] - pubblicato il

Ideale per gli impianti dal wattaggio elevato, il finale di potenza in classe H deriva dalla AB e può essere considerato come lo step successivo della classe G: lo analizza sul piano tecnico il nostro lettore TidalRace.
L’evoluzione della classe-G, già vista nel mio precedente articolo, da uno schema con due livelli di tensione a un schema multi-livello, ha portato la classe-H ad adottare una circuitazione ancora più sofisticata, con l’introduzione di un sistema a variazione continua della tensione. Ci sono comunque tante incognite sull’utilizzo di queste due sigle, dovute alle varianti in gioco e all’utilizzo sulle prime realizzazioni. A volte vengono utilizzate infatti anche come sinonimi. Pur se diverse nel principio di funzionamento, i risultati ottenuti sono comunque molto simili.

Come la classe-G, anche la H prevede un circuito derivato dalla classe-AB, ma potrebbe essere anche un classe-A o un classe-B.
Per piccoli segnali, si adotta una tensione d’alimentazione minima e quindi minori saranno gli assorbimenti. Mentre, sopra una certa soglia, la tensione d’alimentazione cresce proporzionalmente onde evitare la saturazione e dare un segnale di maggiore potenza con maggiore assorbimento.
A differenza della classe-G il cui rendimento è sempre inferiore al 85,9%, qui si può andare da questo valore fino a sfiorare il 100%, con notevoli vantaggi sulla dissipazione di calore.

Questa circuitazione viene utilizzata per amplificatori di una certa potenza a stato solido che spesso superano i 2.000 watt. È importante regolare bene la tensione minima e la differenza tra segnale in uscita e alimentazione al fine di evitare spiacevoli distorsioni del segnale. La variazione della tensione d’alimentazione deve avvenire in tempi rapidissimi, sia in ascesa, sia in discesa. Noi ci baseremo sullo stesso schema del finale di potenza già visto per la classe-G e adattato a questa.

Classe-H - L'evoluzione della classe-G
VX Audio CA20

L’amplificatore in classe-H CA20 è un esempio di quanta potenza sia capace d’esprimere questo genere di realizzazioni. Il finale stereo presenta sul pannello anteriore l’interruttore d’accensione, due potenziometri per i livelli dei canali e una serie di spie luminose per le varie modalità operative, mentre nel pannello posteriore ci sono tutti i connettori d’ingresso e d’uscita.
La potenza di questo amplificatore va dai 2x1.350 watt su otto ohm ai 2x2.025 watt su quattro ohm, mentre nel collegamento a ponte dichiara 4.050 watt su otto ohm e ben 5.400 watt su quattro ohm.
Ha dimensioni di 480x132x550 mm (tre unità rack) e pesa ben 48 Kg. 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, una serie di transistor di potenza e due lunghi dissipatori in alluminio che ne fanno crescere peso e dimensioni. Dalla foto sono ben visibili tutti questi elementi.

Classe-H - L'evoluzione della classe-G
Lo schema

Il circuito in esame è basato su un integrato chiamato LM759, già visto sullo schema per la classe-G, che riesce a erogare 2,5 watt a 32 ohm con un’alimentazione duale di 15 Volt (+15V / -15V), mentre la tensione d’alimentazione duale presente su Vc e Ve, è di +18V e -18V.
Analizzando lo schema elettrico, all’ingresso abbiamo un filtro passa-banda composto da C7-R12-C8-R13 e sulla rete di controreazione del X6, altri quattro componenti passivi siglati C9-R14-C10-R15, che ne stabiliscono il guadagno e la banda passante. Il segnale in ingresso ‘IN’ arriva anche ai due operazionali X1 e X3, che tramite C1-R1-R2 e C4-R5-R6 modulano la tensione d’uscita dei due regolatori di tensione siglati X2 e X4, da un minimo di 6,5 volt ad oltre 15 volt. X1 e X2 si occupano della tensione positiva per la semi-onda positiva, mentre X3 e X4 della tensione negativa per la semi-onda negativa. La presenza di X5 si è resa necessaria, vista la mancanza nel software del simulatore di circuiti del regolatore di tensione negativa, ma sostituendo X4 con il suo complementare LM337, l’invertitore di segno X5 non sarebbe più necessario.
Le due uscite di tensione modulata ‘Vp’ e Vn’ vanno poi ad alimentare l’integrato di potenza X6.

La risposta in frequenza a -3 dB varia leggermente fra la tensione minima e la massima, si estende fra i 5 Hz fino a 101 kHz per la minima e da 5 Hz a 103 kHz per la massima, con un’amplificazione a centro banda di quasi 15 dB.
La potenza calcolata dal simulatore è di 2,1 watt al 1% di THD, di 2,8 watt al 3% di THD e di 3,3 watt al 10% di THD, composta per lo più da armoniche dispari, come era lecito aspettarsi dalla classe-H. A differenza della simulazione in classe-G, qui la distorsione d’armoniche dispari ha una presenza ancora maggiore, viene raggiunta a livelli minori la prima distorsione del 1%, cui corrisponde anche una minore potenza, ma occorre maggiore segnale per la massima del 10%, quindi con una maggiore dinamica.

Classe-H - L'evoluzione della classe-G
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.
Con questo livello d’ingresso, la tensione d’alimentazione è già modulata dallo stesso segnale ma, a differenza della classe-G, solo sul picco interessato, in quanto la tensione base di 6,5 volt duali non sarebbe sufficiente a erogare la potenza in uscita senza distorsione. Non appena il picco è ridisceso verso la zona centrale, anche l’alimentazione si riporta nel valore base.

Classe-H - L'evoluzione della classe-G
Test a 2.000 mVp

Con un segnale doppio rispetto alla prova precedente, la modulazione dell’alimentazione è più profonda, per permettere all’uscita d’esprimere tutta la variazione in ampiezza del segnale. La potenza come logico è circa quadruplicata, raggiungendo gli 1,83 watt con una distorsione THD dello 0,23%, quindi ancora molto bassa.

Classe-H - L'evoluzione della classe-G
Test a 2.158 mVp

Per raggiungere il valore di distorsione THD del 1%, come sulla prova della simulazione di classe-G, occorre inviare un segnale di 2.158 mV di picco, i picchi d’alimentazione passano da circa 6,5 volt a circa 14 volt per le due tensioni e la potenza in uscita vale circa 2,08 watt teorici. In classe-G con un segnale di 2.402 mVp si ottenevano invece 2,62 watt, sempre all’1% di THD. A differenza di quest’ultima, il segnale in uscita non è però tagliato nei picchi e quindi possiamo spingerci oltre.

Classe-H - L'evoluzione della classe-G
Test a 2.664 mVp

Con la distorsione THD del 3% ora il segnale in uscita è leggermente tagliato sui picchi e abbiamo ottenuto la massima potenza indistorta di 2,78 watt, valore praticamente identico alla classe-G a parità di distorsione. Notare che la tensione positiva Vp sfiora i 16 volt mentre la negativa Vn è leggermente tagliata.

Classe-H - L'evoluzione della classe-G
Test a 3.342 mVp

Alzando ancora l’ingresso fino a 3.342 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. Non potendo più salire la tensione d’alimentazione, si ritrova per un tempo maggiore ai due valori massimi, la potenza è arrivata a 3,26 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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Link utili
La classe G
Le classi degli amplificatori
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