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Pilotaggio in corrente

 

 

In tutti gli impianti gli altoparlanti vengono pilotati in tensione: si impiega cioè un amplificatore con bassa impedenza di uscita per cercare di mantenere il più possibile costante la tensione ai capi del carico. Questo approccio comporta le seguenti conseguenze:

Poichè il carico (altoparlante) è reattivo e non-lineare, la corrente circolante nella bobina mobile risulta distorta. Dato che è la corrente ad essere convertita in pressione acustica, anche la pressione (ciò che sentiamo) è distorta.
   
Si verifica una controreazione molto forte: infatti, per la nota Legge di Lenz, durante il funzionamento di un altoparlante ai capi della bobina è presente una forza controelettromotrice [e] (cioè una tensione) che si oppone alla causa che l’ha generata. Dato che la bobina è collegata - tramite cavi a bassa resistenza - ad un amplificatore a bassa impedenza di uscita [Rout], si ha la circolazione di una notevole corrente inversa [i’], cioè una forte controreazione che tende a riportare la membrana a riposo.
   
Questa forza legata alla corrente di controreazione è proporzionale alla velocità della membrana. Le forze di richiamo elastiche delle sospensioni invece sono proporzionali allo spostamento. La contemporanea presenza di due forze diverse genera non-linearità e quindi distorsione.

 

Tutti gli impianti hanno questi problemi, PERCHE’ TUTTI IMPIEGANO QUESTA STESSA TECNOLOGIA.

Per ovviare a questi problemi, è invece necessario ricorrere ad una tecnologia diversa, cioè il PILOTAGGIO IN CORRENTE.

Il pilotaggio in corrente consiste nell’utilizzo di un generatore di corrente al posto di un generatore di tensione. La differenza rispetto a un generatore di tensione è sostanzialmente nell’impedenza di uscita, che nel generatore di tensione è idealmente nulla (in pratica bassissima), mentre nel generatore di corrente è idealmente infinita (in pratica grandissima).

Utilizzando un generatore di corrente opportunamente progettato, si possono ottenere i seguenti vantaggi:

Si controlla direttamente la corrente circolante nella bobina mobile dell’altoparlante, evitando le distorsioni legate al pilotaggio in tensione;
   
Si annulla la corrente inversa legata alla forza controelettromotrice, dato che il valore molto elevato dell’impedenza di uscita impedisce il circolare della corrente stessa;
   
Impedendo alla corrente inversa di circolare, si elimina la non linearità dovuta al sovrapporsi di forze di richiamo diverse nell’altoparlante.

Il sistema migliore per ottenere un pilotaggio in corrente è di realizzare un dispositivo che riceve in ingresso una tensione e fornisce in uscita una corrente proporzionale alla tensione in ingresso: un amplificatore di questo tipo si definisce amplificatore a transconduttanza.

 

 

L’amplificatore a transconduttanza

 

Nell’amplificatore a transconduttanza la tensione viene tradotta direttamente in corrente senza necessità di inutili complicazioni: a tutti gli effetti, un amplificatore a transconduttanza può essere monostadio e - al limite - monocomponente. Monocomponente significa che il segnale attraversa un solo componente, con vantaggi immediati su qualsiasi altro amplificatore: in un amplificatore convenzionale (cioè in un generatore di tensione) nella migliore delle ipotesi il segnale attraversa 3 - 4 stadi ed una dozzina di componenti. La differenza con segnali transitori (cioè con la musica) tra attraversare un componente e attraversarne una dozzina è enorme; lo stesso vale per le relazioni di fase.

L’alta impedenza di uscita rende virtualmente aperta la maglia di pilotaggio, impedendo la circolazione della corrente inversa (dovuta alla forza controelettromotrice) e abbassando drasticamente la distorsione. L’eliminazione della controreazione ha anche una altro importantissimo vantaggio: permette infatti una corretta gestione dei segnali transitori (che vengono invece compressi e distorti dagli amplificatori convenzionali).

Poichè l’amplificatore a transconduttanza controlla direttamente la corrente circolante nella bobina dell’altoparlante - corrente che aumenta con lo spostamento della membrana - si ottiene una dinamica maggiore rispetto agli amplificatori in tensione. Dato che lo spostamento della membrana dell’altoparlante aumenta al diminuire della frequenza, le maggiori differenze si hanno proprio verso le basse frequenze, che risultano più profonde, articolate e definite, e contemporaneamente più rotonde e corpose rispetto agli amplificatori convenzionali.

Nell’amplificatore a transconduttanza, grazie all’elevata impedenza di uscita, è la corrente ad essere mantenuta costante, non la tensione. Questo comporta che la potenza erogata aumenta all’aumentare dell’impedenza del carico e che la risposta in frequenza è quindi influenzata dal modulo dell’impedenza. In genere gli altoparlanti presentano un’impedenza che aumenta con la frequenza a causa dell’induttanza delle bobine mobili; si ottiene pertanto una maggior erogazione di potenza con l’aumentare della frequenza. Poichè la risposta di un altoparlante tende d’altra parte a calare all’aumentare della frequenza a causa dell’inerzia, il pilotaggio in corrente permette di ottenere una specie di compensazione automatica della risposta; in pratica, si riesce ad aumentare l’estensione verso l’alto della risposta dei trasduttori.

L’amplificatore a transconduttanza permette un migliore interfacciamento con il carico. Con il pilotaggio in tensione l’altoparlante deve avere una bassa impedenza per un buon trasferimento della potenza; la bobina deve pertanto essere realizzata con filo di elevata sezione, con conseguente elevato peso che incide negativamente sia sull’efficienza sia sulle prestazioni dinamiche. Con il pilotaggio in corrente invece il trasferimento di potenza migliora ad alte impedenze, per cui si possono realizzare bobine molto leggere, con evidente miglioramento dell’efficienza, del comportamento dinamico e dell’estensione della risposta verso le alte frequenze: si ha quindi una più elevata sinergia tra amplificatore e carico. Inoltre gli altoparlanti possono essere vantaggiosamente connessi in serie invece che in parallelo, senza l’interposizione di alcun tipo di crossover, che risulta assolutamente inutile nella connessione in serie.

L’insieme di queste caratteristiche fa sì che un amplificatore a transconduttanza che opera il pilotaggio in corrente possa conseguire risultati musicali ampiamente superiori a quelli ottenibili dagli amplificatori convenzionali, indipendentemente dal costo: in definitiva, si tratta di un modo molto più intelligente di pilotare il carico, ed è questo che fa la differenza. Un amplificatore di questo tipo, connesso ad un sistema di altoparlanti serie, è in grado di surclassare qualsiasi impianto convenzionale (cioè con amplificatore di tensione che pilota altoparlanti filtrati connessi in parallelo).

Il generatore di corrente, pur offrendo i migliori risultati in assoluto con un carico ottimizzato, può vantaggiosamente sostituire il generatore di tensione in tutti i casi (la maggioranza) in cui il modulo dell’impedenza non presenti alterazioni notevoli in funzione della frequenza; si deve inoltre tenere conto che la sua risoluzione nel dominio del tempo è enormemente superiore a quella degli apparecchi convenzionali e che quindi accoppiarlo a prodotti che trascurano completamente questo aspetto non può che evidenziare tali carenze: in generale è quindi opportuna una prova di compatibilità.

 

Di seguito sono riportati alcuni esempi di come cambiano le cose pilotandolo in corrente un altoparlante.

 

Impedenza del sistema. In bassa frequenza sono presenti 3 picchi ben definiti, mentre in alto si nota l'aumento del modulo dovuto all'induttanza della bobina mobile.

 

sistema pilotato in tensione

 

sistema pilotato in corrente

 

Risposte in frequenza rilevate a 1 metro in regime sinusoidale. In teoria, ci si aspetterebbe di ritrovare pari pari nella risposta del sistema pilotato in corrente i 3 picchi dell'impedenza a bassa frequenza; l'entità è invece ben inferiore. In compenso, i suddetti picchi compaiono anche nella misura del sistema pilotato in tensione. Comparando le due risposte in frequenza, si nota che il primo ed il terzo picco hanno sostanzialmente la stessa entità nei due casi, mentre quello centrale è circa 4 dB più pronunciato nel caso del pilotaggio in corrente. In sostanza, le tanto paventate alterazioni della risposta a bassa frequenza non ci sono; se la misura invece che a 1 metro fosse stata fatta a 3 metri (cioè in condizioni d'ascolto), le due curve in basso sarebbero sostanzialmente identiche. Diverso è il discorso in alta frequenza, dove la differenza è dell'ordine di 10 dB: laddove la risposta inizia a calare a causa dell'inerzia, pilotando in corrente si ottiene una sorta di equalizzazione automatica, con conseguente notevole ampliamento dei limiti di funzionamento. Contrariamente a quanto si può pensare, quindi, nel caso esaminato (woofer dinamico caratterizzato da notevoli variazioni di impedenza in basso) le alterazioni nel dominio della frequenza interessano più la gamma medio-alta che quella bassa: per quanto riguarda quest'ultima, le alterazioni sono in genere inferiori a quelle dovute ad un diverso posizionamento nell'ambiente.

Quello che è fortemente diverso è invece il comportamento nel dominio del tempo, come dimostrato dal seguente esempio, relativo ad un altoparlante in aria.

sistema pilotato in tensione sistema pilotato in corrente

Il sistema, se pilotato in corrente, presenta una risposta impulsiva enormemente migliore; l'impulso è più stretto, ha un andamento molto più lineare e, soprattutto, presenta un decadimento molto più pulito e più breve. Il woofer acquisisce una velocità quasi da tweeter; con un fattore di smorzamento nullo: c'è da meditare, no?

Il seguente esempio si riferisce ad un larga banda da 20 cm.

sistema pilotato in tensione

 

sistema pilotato in corrente

 

L'altoparlante presenta una notevole irregolarità nella zona compresa tra 3 e 5 kHz; a parte questo, l'emissione in basso è sostenuta fino a 50 Hz, mentre in alto l'inerzia impedisce di avere una risposta completa (la massa mobile è di circa 13 grammi), nonostante la presenza del conetto centrale. Se pilotato in corrente, il larga banda si trasforma magicamente in full-range, con i 20 kHz ben presenti.

 

Conclusione 1: il pilotaggio in corrente permette prestazioni musicali straordinarie grazie al suo comportamento nel dominio del tempo.

Conclusione 2: il pilotaggio in corrente ha potenzialità molto più ampie rispetto a quello in tensione, proprio perchè si possono sfruttare anche le variazioni d'impedenza per modellare la risposta complessiva; la complessità aumenta, ma anche i risultati.

 

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