DISTORSIONE

Rieccoci qui! Scusatemi per l'assenza forzata ma gli impegni sono stati innumerevoli.....ma adesso sono tornato più carico di prima. Se siete riusciti a digerire l'articolo sulla deriva termica, non avrete alcun problema ad imbarcarvi su questo nuovo argomento che è la DISTORSIONE.

Faremo sempre una panoramica generale cercando di affrontare l'argomento in maniera discorsiva, ma qualche formula e qualche grafico verrà fuori, quindi non temete verra spiegato con il massimo della chiarezza (almeno si spera;)) il viaggio è ancora lungo ma in pò alla volta arriveremo ad analizzare un vero e proprio amplificatore e lì ci sarà da divertirsi;)

Come detto nell'introduzione di questa serie di articoli, in un  amplificatori di potenza il segnale d’uscita è aumentato d'ampiezza rispetto a quello d'ingresso, per tal motivo nasceranno subito problemi di distorsione. 

Bisogna tener conto, però del fatto che questa è una distorsione non lineare. 

La distorsione lineare è quella prodotta ad esempio da un filtro, che produce una variazione di fase, una differenza di ampiezza tra componenti spettrali, ma che non modifica le componenti spettrali stesse,  al più ne taglia qualcuna, ma non ne crea altre. Come si nota dall'immagine sottostante, puramente esplicativa, le righe dello spettro, in un processo lineare vengono modificate in ampiezza ma non vengono aggiunte alcune nuova righe allo spettro del segnale. 

La distorsione non lineare è quella causata da un componente non lineare. qui la situazione e ben diversa rispetto alla precedente, avremo che il segnale in ingresso dopo aver attraversato, il circuito non lineare subirà, come si vede in figura, l'aggiunta di nuove righe nello spettro. 

Per ultima la distorsione armonica , nella quale, applicato un segnale ad una certa frequenza all’amplificatore, si misura quali componenti frequenziali produce l’amplificatore stesso in base al suo comportamento non lineare. Ho trovato, per chi volesse approfondire, un'ottima spiegazione sul forum di CHF a cura di Pierluigi Marzullo dal titolo LA LETTURA DEI GRAFICI DI DISTORSIONE ARMONICA. 

Date un'occhiata, molto interessata e ottimamente spiegata;)

Torniamo nel vivo del discorso, analizzando in maniera molto semplice un circuito  con un componente attivo generico: il componente attivo eroga corrente nella maglia quindi potenza sul carico. Se il componente è lineare si ha: i = Ax + a₀ ; in questo caso la corrente è proporzionale alla corrente di controllo più un componente a₀ costante.

Se il componente è debolmente non lineare, nel senso che il suo comportamento si discosta poco da quello lineare, cioè no abbiamo fenomeni di scatto, si ha:

                                     i = a₀ + a₁ x + a₂ x² + a₃ x³ + . . .

In questo caso stiamo supponendo la corrente quasi lineare a tal punto che è esprimibile in serie di potenze (per chi volesse capire da dove viene quella formula date un'occhiata qui). 

Supponiamo ora che la forma d’onda sia sinusoidale, cioè del tipo: 

x = X(sin ω₀ t + cos ω₀ t); poichè possiamo scegliere noi il riferimento temporale, possiamo fare in modo che sia x = X cos ω₀ t , (ci fa comodo avere un segnale pari; in questo modo infatti, il comportamento per t>0 è uguale a quello per t<0). Sostituendo l’espressione  di x si ottiene:

ATTENZIONE!!! la formula che sta per essere postata contiene un contenuto elevato di scene violente si consiglia la visione ad un solo publico adulto. Don't try this at home!!

Dai conti appena visti si nota che non appena appare la seconda armonica si ha una variazione della componente continua (B₀ dipende da a₀ ,da a₂ x² e da tutti i termini di posto pari, che però intervengono dopo rispetto ad a₂ x² , cioè x deve crescere di più perché su B₀ si sentano gli effetti dei  termini di ordine superiore). Si può sfruttare questo fatto per operare al contrario: si misura cioè la componente continua poi si aumenta l’ampiezza del segnale finché non si presenta una variazione nella componente stessa. Questa variazione indica che l’amplificatore ha cominciato a distorcere (distorsione di seconda armonica).

Per rendersi conto di ciò che causa la distorsione di 2 e 3 armonica ad un segnale sinusoidale consideriamo la fig. precedente.

La distorsione derivante da una armonica è convenzionalmente misurata dal rapporto espesso in percentuale, fra l'ampiezza dell'armonica e quella della fondamentale; così nel caso della seguente figura

in cui il rapporto fra l'ampiezza della seconda armonica e quella della fondamentale è 0,1, mentre il rapporto fra l'ampiezza della terza armonica e quella della fondamentale è 0,075, diremo che si ha una distorsione del 10% da seconda armonica e del 7,5% da terza armonica:

D2=10% D3=7,5%.

Nel caso in cui siano presenti diverse armoniche si assume, per definizione, quale misura globale della distorsione armonica la radice quadrata della somma dei quadrati delle singole distorsioni e la si chiama DISTORSIONE ARMONICA TOTALE (THD):

Nel caso precedente avremo: 

C’è inoltre il problema dei picchi: se un amplificatore può fornire 100W, normalmente lo si fa lavorare a potenze 10 volte o anche 20 volte inferiori, quindi l’amplificatore in tali condizioni non distorce. 

Ma perchè facciamo tutto questo? 

Perchè la musica passa dal pianissimo al fortissimo. Si pensi ad un pianoforte quando viene pigiato un tasto, la potenza istantanea ha un picco elevatissimo per poi decade esponenzialmente in maniera molto velocemente, ed è proprio il picco a mettere in crisi l’amplificatore. Quindi riducendo la potenza dell’amplificatore, ottenendo un buon compromesso fra dinamica e potenza erogata indistorta. 

Concludiamo qui la parte sulla distorsione il prossimo step saranno gli ampli in CLASSE A, adesso si che si comincia a far sul serio. 

DERIVA TERMICA

CLASSE A