La tecnica dei trasformatori di step up

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Trasformatori di Step Up: quello che avreste voluto sapere sugli step up e non avete mai potuto chiedere

 di Fabrizio Montanucci

Era forse la fine del 1978, o l’inizio dell’anno seguente. In “Stereoguida”, la rivista cui il sottoscritto allora collaborava, provammo una serie di testine, molte delle quali di tipo moving coil, che allora stavano già iniziando ad invadere la fascia alta del mercato dei fonorivelatori sebbene la leadership fosse ancora detenuta dai migliori modelli a magnete mobile. Dato che la sala d’ascolto era unica per tutte le riviste audio del gruppo (Suono, Stereoplay e Stereoguida, oltre alle varie edizioni speciali) ed ogni mese venivano esaminate varie decine di componenti (ovvero, bisognava “litigare” per potervi accedere in orari non notturni), quando le apparecchiature non erano eccessivamente grandi e voluminose i collaboratori le portavano a casa e le inserivano nel proprio impianto; in questo caso ovviamente il trasporto non era una problema. Fu allora che mi accorsi che almeno un paio di testine (una era quasi certamente la Fidelity Research FR1, l’altra era pure giapponese, forse una Dynavector, ma ho scordato i dettagli) a casa mia suonavano molto, ma molto diversamente da come erano state descritte nelle prove tecniche e di ascolto precedenti. In particolare, la “brillantezza” (ma sarebbe forse meglio parlare di “invadenza”) in gamma acuta era sostanzialmente compatibile con quanto avevo letto, ma la gamma bassa no, quella a casa mia era quasi scomparsa, ed il suono complessivo era tanto poco gradevole che anche mia madre se ne accorse, pur ascoltando distrattamente da due stanze più in là. Da timido studente ventenne non ebbi il coraggio – sbagliando, perchè mi avrebbe sicuramente ascoltato – di chiedere al già mitico Paolo Nuti di fare qualche misura in merito. Però, diversi anni dopo, divenuto responsabile tecnico di Stereoplay, mi capitò di nuovo un caso analogo: un preamplificatore Sansui, che alle misure di risposta risultava perfetto, collegato ad una testina MC risultava privo di basse ed in parte anche di note acute. A quel punto non ci volle molto per capire cosa accadeva. Si trattava di un modello che realizzava l’ingresso MC mediante un trasformatore di step up, molto piccolo ed apparentemente molto ben fatto. Il problema era che la sua impedenza interna crollava a tal punto sulle prime ottave da realizzare un vero filtro passa-alto in associazione con la resistenza interna della testina, che di norma varia tra alcuni ohm ed alcune decine di ohm. Fenomeno analogo, pur se meno pronunciato, accadeva sulle alte, e non potevo assolutamente accorgermene nel corso dei test standard di laboratorio perchè in quel caso adottavamo, per evitare partizioni e poter esprimere la sensibilità direttamente in termini di tensione da applicare (anzichè in F.E.M., il che avrebbe complicato il concetto), un generatore con impedenza interna inferiore ad un decimo di ohm.

Ovviamente descrissi questa esperienza nell’articolo sulla coppia pre-finale Sansui, ed all’occasione tornai sull’argomento altre volte nel corso degli anni, ma non redassi alcun articolo verticale. Per due ragioni: in primo luogo (metà anni ’80) sembrava che il vinile e tutte le tecnologie connesse fossero destinate ad una scomparsa molto rapida, inoltre quella del trasformatore di step up rappresentava, per i puristi della materia, la scelta di “serie B”, la “serie A” consistendo nell’accoppiamento diretto ad un circuito fono con deenfasi specializzato per le bassissime tensioni ed impedenze (o tutt’al più un pre-pre lineare, magari a batterie, da far confluire in un buon pre fono per magnete mobile). Lo stesso concetto di “trasformatore” richiamava intrinsecamente elementi anti-audiofili, perchè il suo inserimento implicava subito l’introduzione di un doppio taglio di risposta (in basso ed in alto) e perchè l’isteresi del materiale del nucleo ferromagnetico è necessariamente non-lineare. Tutti i concetti legati alle “interazioni deboli” (AR 138-139 ed altri) erano di là da venire, ed anche la trasmissione bilanciata dei segnali -nei pochi componenti che la utilizzavano- appariva come una stravaganza tesa a scimmiottare il mondo del professionale piuttosto che una tecnica vantaggiosa pure nel consumer. Ma a parte queste ragioni -che pure sono ben solide- può tuttavia sussistere qualche altro buon motivo per ricorrere ad uno step up.

Il limite nel rapporto segnale/rumore

Quando si deve amplificare un segnale debole, il parametro più rilevante per sapere a priori quanto “pulito” potrà essere l’effetto dell’amplificazione è l’energia del segnale stesso. Il massimo trasferimento di energia tra un generatore ed un carico si ha quando le impedenze affacciate sono “complesse-coniugate”, ovvero hanno, alla frequenza considerata, stesso modulo e fase opposta (al limite nulla, quando lo scambio è tra componenti di natura resistiva). L’impedenza interna “media” di un fonorivelatore a magnete mobile (in ogni possibile variante) è dell’ordine delle centinaia, o poche migliaia, di ohm, con una induttanza serie orientativamente compresa tra circa 100 millihenry ed 1 henry. La sua tensione di uscita (considerando una velocità di modulazione del solco pari a 10 cm/s) cade in media tra 3 e 12 millivolt. In queste condizioni il fonorivelatore potrebbe trasferire sul carico potenze dell’ordine di 27 nanowatt (ipotizzando R=600 ohm, V=8 mV). Un fonorivelatore a bobina mobile, può avere impedenza interna compresa – pure qui orientativamente – tra 2 e 40 ohm per induttanze parassite comprese tra un decimo di microhenry (per dare un’idea, si tratta dell’induttanza propria di un conduttore rettilineo da 1 mm di diametro e lungo 10 cm: è un problema delicatissimo il solo misurarla con una precisione accettabile…) ed una decina di microhenry.

La tensione di uscita può (con le solite approssimazioni) variare tra 0,15 e 0,6 mV. Ipotizzando una MC “media” da 10 ohm e 0.4 millivolt, abbiamo un possibile trasferimento di potenza pari a 4 nanowatt.

Ne conseguirebbe un vantaggio intrinseco “medio” per le testine a magnete mobile (anche dette “magnetodinamiche”, laddove le MC sono “elettrodinamiche”) piuttosto consistente, pari a circa 8 dB [10 log10(27/4) ], che però è altamente illusorio, per una ragione molto semplice, coincidente con quella che gli audiofili (e segnatamente il nostro Marco Benedetti) hanno indicato come “la superiorità genetica delle testine a bobina mobile”.

Figura 1. Modulo (traccia nera) e fase (rossa) della risposta elettrica di un fonorivelatore di tipo magnetodinamico avente impedenza interna di 600 ohm + 500 mH caricato con 600 ohm resistivi. Una testina a magnete mobile NON può essere caricata con una resistenza di valore analogo alla sua componente resistiva interna, perché l’enorme valore di induttanza renderebbe la risposta calante già da un centinaio di Hz.

Figura 1. Modulo (traccia nera) e fase (rossa) della risposta elettrica di un fonorivelatore di tipo magnetodinamico avente impedenza interna di 600 ohm + 500 mH caricato con 600 ohm resistivi. Una testina a magnete mobile NON può essere caricata con una resistenza di valore analogo alla sua componente resistiva interna, perché l’enorme valore di induttanza renderebbe la risposta calante già da un centinaio di Hz.

Questa superiorità esiste oggettivamente ed ha un nome molto semplice: induttanza interna. Con alcune centinaia di millihenry non è possibile applicare il teorema di massimo trasferimento di energia, perché se facessimo lavorare la testina MM sopra descritta (600 ohm, 500 millihenry) su un carico pari alla propria resistenza interna otterremmo la risposta di Fig. 1, calante già da alcune decine di Hz e con i 20 kHz attenuati di 34 dB (50 volte !) rispetto all’estremo basso. Chi ha provato ad usare un ingresso MC per amplificare un pick up MM sa bene, in termini percettivi, di cosa stiamo parlando. Per poter operare correttamente una MM deve notoriamente lavorare su 47000 ohm, ed in tali condizioni la curva di fig.1 diventa quella di Fig. 2: questa perde ancora 4 dB a 20 kHz, ma poiché tutti i gruppi mobili risuonano nella regione tra 15 e 40 kHz (con le testine migliori che ovviamente risuonano più in alto) questo andamento calante può essere impiegato per smorzare l’enfasi dovuta alla risonanza. Con questo assetto, che è tale da poter lecitamente trascurare l’induttanza, il trasferimento di potenza verso l’amplificatore scende a 1.33 nanowatt, ovvero perde quasi 5 dB rispetto alla MC, la quale, grazie alla propria irrilevante induttanza interna, può tranquillamente lavorare su un carico pari alla sua stessa impedenza interna. Ad esempio, se per la MC di cui sopra ipotizzassimo una induttanza interna di 10 microhenry (che è elevata in termini relativi), avremmo un calo a 20 kHz minore di 1,5 dB.

A questo punto l’esperto di altoparlanti potrebbe anche insorgere, con un ragionamento del genere: “se io cambio la resistenza del generatore che pilota un altoparlante, ed in particolare se passo da un valore molto alto ad uno pari alla resistenza della bobina mobile, altero completamente il fattore di merito elettrico e quindi la risposta in frequenza e nel tempo del trasduttore !”. E’ vero, ma nel caso del fonorivelatore la componente elettrica dello smorzamento è irrilevante, ovvero il circuito è pressochè integralmente controllato dallo smorzamento meccanico (massa complessiva riportata alla puntina, caratteristiche elastiche e dissipative della sospensione).

Figura 2. Come figura 1, ma con carico “standard” da 47000 ohm e nessuna componente capacitiva. Anche in questo caso la risposta cala all’estremo acuto, ma moderatamente, e tale andamento può (e di norma è) essere utilizzato per stemperare l’enfasi dovuta all’inevitabile risonanza meccanica del gruppo mobile.

Figura 2. Come figura 1, ma con carico “standard” da 47000 ohm e nessuna componente capacitiva. Anche in questo caso la risposta cala all’estremo acuto, ma moderatamente, e tale andamento può (e di norma è) essere utilizzato per stemperare l’enfasi dovuta all’inevitabile risonanza meccanica del gruppo mobile.

Tutto ciò ha due conseguenze importanti:

1)  Il rapporto S/N intrinseco di una MC, valutato in termini di energia trasferita al carico, è mediamente superiore a quello di una MM.

2)  Una testina MC può essere progettata a prescindere dal carico che le verrà offerto. Se alla testina MM sopra considerata (600 ohm, 500 mH) offriamo un carico da 47 kohm (come in fig.2) ma aggiungiamo 250 pF in parallelo (un valore “medio”, che rappresenta il peso tipico dei cavi di collegamento e dell’ingresso del preamplificatore) otteniamo la risposta di Fig. 3, che presenta il ben noto effetto di enfasi sulle medio-alte dovuto alla risonanza elettrica che in tal modo si instaura (in pratica, la testina MM può essere considerata la serie di due filtri passa-basso del secondo ordine, uno meccanico ed uno elettrico). Nulla di tutto questo avviene anche con la più “spiralata” delle MC, che risulterà per questo sempre tendenzialmente più “aperta” delle MM (il che, com’è ben noto, coincide “storicamente” con le impressioni d’ascolto comparative tra queste due tecnologie).

Figura 3. Come figura 2, ma con l’aggiunta di 250 pF in parallelo. Una testina MM caricata con un carico diverso da quello ottimale può introdurre una risonanza elettrica in banda audio ed accentuare la gamma medioalta, il che NON può accadere con una MC, dato il valore sempre irrilevante della sua induttanza parassita.

Figura 3. Come figura 2, ma con l’aggiunta di 250 pF in parallelo. Una testina MM caricata con un carico diverso da quello ottimale può introdurre una risonanza elettrica in banda audio ed accentuare la gamma medioalta, il che NON
può accadere con una MC, dato il valore sempre irrilevante della sua induttanza parassita.

 La contraddizione

Se in media una MC può trasferire all’amplificatore diversi dB di potenza in più, perché allora le misure di rapporto segnale/rumore di tali ingressi sono da sempre peggiori di diversi dB (circa 10) rispetto agli ingressi MM? Da notare poi che ciò avviene nonostante la procedura di misura agevoli le MC, per le quali è prevista la misura con ingresso in corto, laddove gli ingressi MM vengono invece misurati su R=600 ohm e quindi con un rumore termico d’ingresso pari a Vn=sqr(4 k T B R)=0.197 µV, considerando una temperatura (T) di 20 C e che la banda di misura (B) vale 22 kHz (il termine k è la costante di Boltzmann [1.38×10^-23]).

Semplicemente per ragioni tecnologiche, ovvero, con i componenti attivi attuali, anche operando con circuiti alla più bassa possibile resistenza interna (parallelizzando molti stadi ed eventualmente aumentando -il che però aumenta un’altra componente di rumore- la polarizzazione di ciascuno), non è possibile ottenere tensioni di rumore riportate all’ingresso che siano inferiori a quelle termiche proprie della resistenza interna dell testine MC. Se continuiamo a riferirci alla MC descritta sopra, i suoi 10 ohm corrispondono ad una cinquantina di nanovolt, che sono meno di quanto si può ottenere da pur eccellenti pre commerciali e senza neppure considerare la loro componente di corrente di rumore (che viene annullata quando l’ingresso viene cortocircuitato).

Ci si potrebbe chiedere per quale ragione dare tanto spazio a considerazioni sul rapporto segnale/rumore associato alla testina quando quello associato al processo di lettura è nettamente peggiore. La domanda è perfettamente legittima, tuttavia, se il nostro obiettivo è quello di metterci nelle condizioni di minimo possibile “inquinamento” del segnale, da tutto quanto finora esposto risulta allora che l’accoppiamento diretto di una testina MC con il suo preamplificatore non è quello che minimizza il rumore.

Figura 4. Come cambia la risposta di un trasformatore di step-up al variare della resistenza di ingresso del preamplificatore fono collegato a valle? Premesso che non c’è ragione logica (né pratica, come argomenta nel suo articolo Marco Benedetti) che possa indurre ad usare carichi sensibilmente più bassi di quello standard per i fono MM (47 kohm), può essere interessante osservare cosa cambia passando da 47 a 100 kohm. L’impedenza di uscita di uno step-up segue (in teoria ed in prima approssimazione) quella della testina collegata al primario secondo il quadrato del rapporto di trasformazione, e con rapporti elevati non è difficile arrivare a valori di decine di kohm, che sono comparabili con il carico a valle. Ne consegue che i trasformatori a basso guadagno sono favoriti. Qui vediamo a confronto le risposte ottenute dal Tango in versione minimo guadagno (20 dB, Zout teorica 2500 ohm con 25 ohm di sorgente) passando da 47 kohm a 100 kohm: a parte l’ovvio, minimo shift di livello, non c’è alcuna alterazione della risposta.

Figura 4. Come cambia la risposta di un trasformatore di step-up al variare della resistenza di ingresso del preamplificatore fono collegato a valle? Premesso che non c’è ragione logica (né pratica, come argomenta nel suo articolo Marco Benedetti) che possa indurre ad usare carichi sensibilmente più bassi di quello standard per i fono MM (47 kohm), può essere interessante osservare cosa cambia passando da 47 a 100 kohm. L’impedenza di uscita di uno step-up segue (in teoria ed in prima approssimazione) quella della testina collegata al primario secondo il quadrato del rapporto di trasformazione, e con rapporti elevati non è
difficile arrivare a valori di decine di kohm, che sono comparabili con il carico a valle. Ne consegue che i trasformatori a basso guadagno sono favoriti. Qui vediamo a confronto le risposte ottenute dal Tango in versione minimo guadagno (20 dB, Zout teorica 2500 ohm con 25 ohm di
sorgente) passando da 47 kohm a 100 kohm: a parte l’ovvio, minimo shift di livello, non c’è alcuna alterazione della risposta.

Figura 5. E cosa accade invece se cambio la componente capacitiva dell’ingresso del fono? Anche in questo caso molto dipende dal rapporto di trasformazione dello step-up. Qui vediamo di nuovo il Tango a minimo guadagno caricato con una resistenza da 47 kohm, ma con la componente capacitiva variabile (100 / 220 / 340 / 580 pF). Si assiste in pratica ad un progressivo, moderato arretramento della frequenza di taglio (da 62 a 41 kHz) e null’altro. Con una testina MM la risposta avrebbe presentato risonanze e zone di enfasi anche sulle medioalte.

Figura 5. E cosa accade invece se cambio la componente capacitiva dell’ingresso del fono? Anche in questo caso molto dipende dal rapporto di trasformazione dello step-up. Qui vediamo di nuovo il Tango a minimo guadagno caricato con una resistenza da 47 kohm, ma con la componente capacitiva variabile (100 / 220 / 340 / 580 pF). Si assiste in pratica ad un progressivo, moderato arretramento della frequenza di taglio (da 62 a 41 kHz) e null’altro. Con una testina MM la risposta avrebbe presentato risonanze e zone di enfasi anche sulle medioalte.

Il trasformatore di step up

Una testina MM, in sintesi e semplificando, genera tanta tensione, ma con una impedenza interna alta e fortemente reattiva. Queste caratteristiche sono piuttosto “gradite” all’elettronica, che può essere sviluppata per raggiungere valori di rapporto segnale rumore molto elevati (il limite teorico, considerando l’equalizzazione RIAA e la pesatura “A”, è di poco superiore ai 90 dB con 5 mV di ingresso, ed i migliori pre fono MM arrivano ad alcuni dB da tale valore). Sono invece meno gradite proprio al fonorivelatore medesimo, il quale si trova a produrre una risposta che deve poter contare su un carico molto ben definito per poter corrispondere a quella di progetto, e comunque con una sorta di “freno a mano sempre inserito” che è la sua induttanza interna.

Una testina MC, all’opposto, genera poca tensione e tanta corrente, ma quest’ultima non può essere sfruttata per migliorare la dinamica intrinseca perché a valle non si sa come sfruttarla per intero.

Come si fa a passare da tanta corrente e poca tensione al viceversa? La risposta è fin troppo banale: con un trasformatore. Questo componente, nella sua schematizzazione ideale, lega biunivocamente ingresso ed uscita mediante l’energia ed il rapporto di trasformazione (usualmente si considera quello di tensione). In altri termini, se ho un rapporto di trasformazione pari ad esempio a 10 (secondario/primario), sul secondario potrò disporre di una tensione 10 volte maggiore di quella applicata al primario, ma con un decimo della corrente, dato che il prodotto tra queste due grandezze (ovvero la potenza, ovvero l’energia nell’unità di tempo) dev’essere lo stesso per i due avvolgimenti. Esiste tuttavia un altro elemento da considerare, ed è la trasformazione dei parametri dell’impedenza sorgente, che invece passa per il quadrato del rapporto di trasformazione. Ad esempio, una impedenza sorgente da 10 ohm applicata ad un trasformatore ideale con rapporto di trasformazione pari a 10 diventa una impedenza da 1000 ohm sul secondario: per comprenderne intuitivamente il perché basta considerare che la potenza dissipata da tale sorgente messa in corto (FEM al quadrato diviso la resistenza interna) non può, con un rendimento unitario, cambiare nel passaggio da primario a secondario.

Tutto questo – va ben ribadito – con un trasformatore ideale, ma è ben noto che i componenti reali sono sempre piuttosto lontani dal loro modello.

Per individuare i limiti che più ci interessano in relazione all’uso come step up, possiamo considerare che il trasformatore funziona convertendo variazioni di flusso magnetico in corrente e viceversa. Esiste quindi un avvolgimento primario, costituito da un certo numero di spire, le quali hanno associata una certa induttanza. Poiché le spire primarie sono avvolte su un nucleo metallico, l’induttanza sale in proporzione alla permebilità magnetica relativa (µr) di questo, e tale coefficiente può anche essere superiore ad un fattore 1000, ma non è infinito, e generalmente non è nemmeno approssimabile a costante con la frequenza nel range di nostro interesse. Ne consegue subito che se avvolgiamo poche spire di primario, otterremo una induttanza di base del trasformatore (a secondario aperto) troppo piccola, con conseguente crollo della sua impedenza d’ingresso alle frequenze audio più basse. Si potrebbe allora pensare di avvolgere un numero molto alto di spire, ed invece un primo criterio di progettazione dello step up è proprio quello di non avvolgere sul primario più spire del minimo necessario ad ottenere un buon comportamento a bassa frequenza. La ragione è che avvolgendo molte spire si aumentano le capacità parassite interspira (il che vale peraltro anche sul secondario) e la combinazione di queste due forma un circuito risonante LCR (over R dipende ovviamente dalla resistenza serie dell’avvolgimento). Se tale risonanza è collocata troppo in basso (e dai test riportati sui componenti in prova risulta che molto spesso ciò si verifica) allora interferisce con la risposta in gamma acuta del trasformatore, accorciandola e facendola deviare dalla linearità, con conseguenti alterazioni anche della risposta temporale. Anche il materiale del nucleo è naturalmente importantissimo, sia in termini di linearità (ad ogni variazione di corrente deve corrispondere una proporzionale variazione del flusso magnetico, altrimenti insorge una distorsione) che di banda (all’aumentare della frequenza aumentano sempre le dissipazioni, ed il rendimento del trasformatore si allontana fortemente da quello ideale).

Si tratta in sostanza, nonostante in questo caso si operi a livello di segnale, delle stesse problematiche inerenti la realizzazione dei trasformatori di uscita degli amplificatori a valvole.

 

Figura 6. E cosa avviene se estremizzo la situazione, utilizzando uno step-up ad alto guadagno con una impedenza sorgente elevata? Qui vediamo sempre il Tango, ma al guadagno massimo (31.9 dB) e con una impedenza sorgente di ben 25 ohm. La monotonicità della variazione rispetto alla capacità del carico è pienamente confermata, ma in queste condizioni anche un componente ottimo come il Tango non potrà non produrre un restringimento della risposta, che in questo caso affligge soprattutto le alte frequenze. Insomma, meglio non cercare rapporti segnale/rumore da record, non solo perché il fono a valle potrebbe non gradire molto tensioni così relativamente elevate, ma anche perché l’alterazione timbrica è praticamente inevitabile.

Figura 6. E cosa avviene se estremizzo la situazione, utilizzando uno step-up ad alto guadagno con una impedenza
sorgente elevata? Qui vediamo sempre il Tango, ma al  guadagno massimo (31,9 dB) e con una impedenza sorgente di ben 25 ohm. La monotonicità della variazione rispetto alla capacità del carico è pienamente confermata, ma in queste condizioni anche un componente ottimo come il Tango non potrà non produrre un restringimento della risposta, che in questo caso affligge soprattutto le alte frequenze. Insomma, meglio non cercare rapporti segnale/rumore da record, non solo perché il fono a valle potrebbe non gradire molto tensioni così relativamente elevate, ma anche perché l’alterazione timbrica è praticamente inevitabile.

Le misure sui trasformatori di step up

La non-idealità del trasformatore elevatore per testine MC comporta le seguenti principali conseguenze:

  1. L’impedenza d’ingresso (Zin) è normalmente più bassa rispetto a quella calcolabile dalla teoria, che è pari a Zin=Zld / G^2 , ove (G) è il rapporto di trasformazione e (Zld) è l’impedenza di carico. Inoltre, per cause legate ai limiti di induttanza, alle perdite ed alle risonanze ad alta frequenza, tende a diminuire agli estremi di banda.
  2. L’impedenza di uscita (Zout) è normalmente più alta rispetto a quella calcolabile dalla teoria, che è pari a Zout=Zsg x G^2 , ove (Zsg) è l’impedenza della sorgente. In caso di rapporti di trasformazione elevati, e quindi di impedenze d’uscita molto alte, è tuttavia possibile che le perdite si comportino come una componente dissipativa in parallelo, con conseguente impedenza d’uscita minore del valore teorico.
  3. La risposta in frequenza alle basse frequenze, essendo decrescente l’impedenza interna al diminuire della frequenza, viene a dipendere dall’impedenza della sorgente. Per valori di impedenza sorgente sufficientemente alti qualsiasi trasformatore evidenzia limiti di risposta all’estremo basso.
  4. La risposta in frequenza alle alte frequenze, sia per la riduzione dell’impedenza d’ingresso sia per la vicinanza della risonanza elettrica fondamentale (di norma, ne esiste una sola), tende a calare e divenire irregolare. Sia le alterazioni sulle basse che quelle sulle alte hanno effetti sulla risposta temporale.
  5. La natura non-lineare del nucleo ferromagnetico può indurre distorsione non-lineare (ovvero, armonica ed intermodulazione).

 

Queste, di conseguenza, le misure che abbiamo deciso di eseguire

  1. Guadagno in tensione a media frequenza (1 kHz). Da questo valore abbiamo deciso di derivare, convenzionalmente, l’impedenza sorgente ottimale per il componente stesso, ovvero quel valore di impedenza della sorgente con cui rilevare la risposta all’onda quadra e con cui valutare linearità ed estensione della risposta. La scelta è stata di assegnare un valore di 40 ohm per i guadagni fino a 22 dB, 12 ohm nel range tra 22 e 28 dB, 3 ohm sopra i 28 dB. Sebbene questi valori non siano mai risultati troppo lontani dal valore ottimale “vero”, probabilmente in futuro affineremo la procedura (cercando ad esempio una funzione continua che leghi sensatamente guadagno ed impedenza sorgente).
  2. Impedenza d’ingresso a tre frequenze (40, 1000 e 20000 Hz). Tipicamente, e per motivi ovvi sulla base di quanto sopra esposto, il valore massimo si ha ad 1 kHz, con decrementi agli opposti estremi che dipendono dal dimensionamento del componente e da quale banda questo eventualmente “prediliga”. Come visto, l’impedenza d’ingresso dipende, attraverso il rapporto di trasformazione, dall’impedenza di carico. Per quest’ultima abbiamo scelto un valore di 100 kohm e non di 47 kohm, come sarebbe potuto apparire più “naturale” dato che l’uscita dello step up confluisce tipicamente in un ingresso fono MM. Ciò perché molti fono permettono di regolare la componente resistiva a piacimento, e con 100 kohm le prestazioni del trasformatore sono generalmente migliori (minori perdite, maggiore impedenza d’ingresso) rispetto ad un carico inferiore. Oltre al rilevamento della impedenza d’ingresso a tre frequenze, abbiamo anche voluto includere un grafico di risposta rilevato direttamente sul primario del trasformatore di step up, per una impedenza sorgente di 25 ohm. In questo modo si evidenzia bene la posizione della risonanza, e l’effetto generale di interferenza che la variazione dell’impedenza d’ingresso ha sul segnale uscente dal generatore. Anche qui, in un possibile futuro ritorno sul tema, legheremo l’impedenza sorgente al guadagno con una funzione stabilita a priori.
  3. Impedenza di uscita, ad 1 kHz, per una impedenza sorgente di 25 ohm. Sia per l’impedenza d’ingresso che per quella di uscita abbiamo voluto riportare il valore teorico, calcolato con le relazioni sopra riportate, onde poterli confrontare. Riportiamo anche la resistenza in continua del primario, perché in teoria legata al rendimento energetico, sebbene i test non abbiamo mostrato un peso apprezzabile per tale parametro.
  4. Risposta in frequenza per almeno 4 valori di resistenza della sorgente (3, 12 , 25 e 600 ohm) e talvolta per un quinto valore (40 ohm). Con un range così vasto di impedenze sorgenti non dovrebbe essere un problema (a parte l’ovvio commento alle misure) inferire a colpo d’occhio il valore ottimale. I 600 ohm sono ovviamente un valore eccessivo in sé, nettamente più alto anche delle MC con più elevata impedenza interna, ma permettono di valutare agevolmente la simmetria basse-alte, ovvero se la “coperta” disponibile privilegia o meno uno dei due estremi.

    step-up-SUPEX1

    Figura 7. Se invece cambio la componente resistiva ad uno step-up con guadagno molto elevato, cosa mi devo aspettare? Qui vediamo il Supex (38.6 dB di guadagno, vale a dire 0.1 mV in ingresso che diventano 8.5 mV in uscita) caricato con 47 e 100 kohm, per una impedenza sorgente correttamente impostata su 3 ohm. Qui l’effetto di “normalizzazione” dell’impedenza complessiva del carico operata dalla resistenza si fa notare. Pur attenuandosi di quasi 2 dB nel passaggio da 100 a 47 kohm, l’estensione di banda passa da 19 a 22 kHz, ed analoga estensione viene impressa alle bassissime.

  5. Distorsione totale sul secondario, per 1 mV di F.E.M. con impedenza sorgente pari a 25 ohm. In questo test entra la distorsione generata dal trasformatore, ma anche e talvolta soprattutto quei disturbi elettromagnetici presenti nell’ambiente che la schermatura del trasformatore ed eventualmente quella dei collegamenti non riescono ad abbattere a valori trascurabili. Anche se infatti il segnale d’ingresso può apparire molto elevato per l’applicazione specifica (1 mV è davvero una tensione di uscita elevata per una MC) è in sé bassissimo, e molto piccola è anche la tensione prelevata sul secondario (poche decine di mV nei casi migliori). Per cercare di mettere tutti gli step up nelle stesse condizioni, questa misura è stata eseguita in una sola sessione per tutti i componenti, curando al massimo le condizioni al contorno (ad esempio spegnendo tutti i CRT presenti nei nostri uffici), ma nondimeno va considerato un test indicativo solo sul piano qualitativo.
  6. Oscillogramma dell’onda quadra. Questo segnale, nella sua schematica semplicità, evidenzia rapidamente vari elementi. Se i segmenti orizzontali sono inclinati, sono presenti attenuazioni e rotazioni di fase in gamma bassa. Se è presente overshoot, sussistono problemi analoghi in gamma acuta, associati anche ad enfasi di risonanza. Se i fronti di salita e discesa sono “lenti”, la risposta in gamma acuta è attenuata, ma se non c’è overshoot almeno la fase è poco o punto alterata.

I risultati delle misure indicano comportamenti molto, molto diversificati tra tutti i componenti in prova. Nessuno dei componenti può definirsi un’ottima approssimazione del trasformatore “ideale”, ma alcuni, almeno nei parametri più importanti, non dovrebbero essere percettivamente distinguibili da tale, ovviamente irraggiungibile, riferimento.

Figura 8. Uno step-up ad altissimo guadagno “sente” maggiormente la componente capacitiva a valle? Sì, ma di norma solo in relazione alla sua più elevata impedenza di uscita. Qui vediamo il Supex su 47 kohm/100 pF. Quando vengono aggiunti condensatori da 120 e poi da 480 pF la risposta arretra, perdendo alcuni dB all’estremo udibile, ma anche in questa condizione così estrema non si nota alcun effetto di risonanza. Il carico sorgente era ovviamente una pura resistenza (da 3 ohm), ma se anche fosse stata la testina MC a più alta induttanza tra quelle a bassa uscita, l’induttanza effettiva sul secondario non avrebbe ecceduto alcuni millesimi di henry, generando piccole e fondamentalmente trascurabili attenuazioni nella regione dei 20 kHz.

Figura 8. Uno step-up ad altissimo guadagno “sente” maggiormente la componente capacitiva a valle? Sì, ma di norma solo in relazione alla sua più elevata impedenza di uscita. Qui vediamo il Supex su 47 kohm/100 pF. Quando vengono aggiunti condensatori da 120 e poi da 480 pF la risposta arretra, perdendo alcuni dB all’estremo udibile, ma
anche in questa condizione così estrema non si nota alcun effetto di risonanza. Il carico sorgente era ovviamente una pura resistenza (da 3 ohm), ma se anche fosse stata la testina MC a più alta induttanza tra quelle a bassa uscita, l’induttanza effettiva sul secondario non avrebbe ecceduto alcuni millesimi di henry, generando piccole e fondamentalmente trascurabili attenuazioni nella regione dei 20 kHz.


Pubblicato su AUDIOreview 292 (luglio-agosto 2008)

Author: Redazione

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