La banda passante di un amplificatore rappresenta l’intervallo di frequenze che l’apparecchio riesce a riprodurre mantenendo una determinata tolleranza di attenuazione. In ambito HiFi si considera normalmente utile una risposta almeno da 20 Hz a 20 kHz, ma questo dato, da solo, dice poco se non vengono indicate anche le condizioni di misura: attenuazione, potenza, carico applicato e livello del segnale.

Molti credono che sia sufficiente che un trasformatore d’uscita arrivi a 20 kHz per essere esente da problemi. È un ragionamento sbagliato. Un trasformatore audio non introduce solo attenuazione: introduce anche rotazioni di fase, perdite, risonanze e distorsioni che possono iniziare ben prima del limite dichiarato della banda passante. Per questo motivo un buon trasformatore d’uscita deve avere una banda più ampia della sola gamma udibile, non perché serva riprodurre gli ultrasuoni, ma perché ciò permette alla parte udibile del segnale di rimanere più pulita e corretta.

Bufale del WEB

Ogni tanto si legge che una banda passante troppo ampia sarebbe addirittura un difetto. Detta così, è una sciocchezza. Può avere senso limitare intenzionalmente la banda nel circuito, per esempio per evitare instabilità, disturbi RF o sollecitazioni inutili ai tweeter, ma non ha senso desiderare un trasformatore d’uscita già limitato di suo. Il trasformatore deve essere il più trasparente possibile nel suo campo di lavoro; eventuali limitazioni vanno decise dal progettista nel circuito, non subite perché il componente è scarso.

A sostegno di questo concetto riporto l’esempio di un trasformatore Tamura, uno dei nomi più importanti nel settore dei trasformatori audio. Non parliamo quindi di chiacchiere da forum, ma di prodotti reali, costosi e riconosciuti a livello mondiale.

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I trasformatori di questa famiglia vengono venduti a cifre importanti. Dalla tabella si vede che alcuni modelli hanno una risposta molto estesa, indicata fino a 100 kHz con attenuazione contenuta. Questo dimostra una cosa semplice: i migliori produttori non cercano trasformatori che si fermino appena sopra i 20 kHz. Cercano trasformatori che lavorino bene molto oltre, proprio per mantenere corretta la gamma udibile.

Il problema è che molte persone si informano sui forum, dove informazioni corrette e leggende si mischiano continuamente. Si leggono affermazioni come: bisogna intervallare primario e secondario 20 o 30 volte, servono almeno 100 Henry di induttanza primaria, i trasformatori dei due canali devono avere induttanze identiche altrimenti suoneranno completamente diversi, e via dicendo.

La realtà è meno fantasiosa e molto più pratica. Un trasformatore d’uscita va valutato guardando la sua risposta reale, l’attenuazione, la fase, il comportamento all’onda quadra, il carico per cui è stato progettato e le condizioni di misura. Una banda passante dichiarata senza indicare l’attenuazione non significa nulla. Scrivere “20 Hz – 20 kHz” senza dire se è a -1 dB, -3 dB, -6 dB, a quale potenza e su quale carico, è un dato incompleto.

Personalmente cerco sempre di dichiarare le condizioni di misura in modo chiaro. Non perché il numero faccia da solo il suono, ma perché senza numeri seri si resta nel campo delle impressioni, del marketing e delle frasi fatte.

Sono entusiasta di condividere la mia esperienza nella costruzione dei trasformatori audio. Come artigiano appassionato, ho dedicato molti sforzi nel perfezionare la progettazione e la realizzazione di questi componenti cruciali. Nel corso del tempo, sono riuscito a raggiungere risultati che possono competere in alcuni casi con i trasformatori prodotti da rinomati marchi come Tamura.

Non intendo sminuire marchi storici come Tamura, Tango, Hashimoto o altri produttori seri. Al contrario, sono riferimenti importanti. Dico però che, con lavoro, prove e misure reali, anche un piccolo laboratorio può ottenere risultati di alto livello. Non servono slogan: servono trasformatori che, una volta messi sul banco, dimostrino quello che promettono.

Un po’ di chiarezza sull’intervallamento

Un aspetto importante nella progettazione di un trasformatore audio è il sezionamento, cioè l’intervallamento di più sezioni del primario e del secondario. Questa tecnica serve a migliorare l’accoppiamento tra gli avvolgimenti, ridurre l’induttanza dispersa e migliorare il passaggio delle alte frequenze.

Come spesso accade, però, non vale la regola del “più è meglio”. Intervallare troppo può diventare controproducente. Aumentando il numero di sezioni aumenta anche la superficie accoppiata tra gli avvolgimenti, quindi aumentano le capacità parassite. Queste capacità peggiorano il comportamento alle alte frequenze e possono causare risonanze, attenuazioni e instabilità.

Il numero corretto di sezioni dipende dal trasformatore: rapporto di trasformazione, impedenza primaria, numero di spire, potenza, tipo di nucleo e valvola impiegata. Non ha senso decidere a tavolino che un buon trasformatore debba avere 10, 20 o 30 sezioni. Bisogna misurare e trovare il giusto equilibrio.

Se un primo prototipo mostra una banda molto estesa ma un accoppiamento migliorabile, può avere senso aumentare il sezionamento. Se invece il trasformatore è già limitato in alto, aumentare ancora le sezioni peggiorerà il problema. In quel caso bisogna ridurre le capacità parassite o rivedere lo schema costruttivo.

In generale, un trasformatore single-ended può funzionare molto bene con circa 5 o 6 sezioni. Un push-pull può richiedere qualcosa in più, per esempio 10 o 12 sezioni. Non è una legge universale, ma è un ordine di grandezza realistico. Numeri enormi, sbandierati come prova di qualità, spesso sono solo marketing.

Desidero condividere con voi lo schema costruttivo di un amplificatore Conrad Johnson MV50. Tuttavia, per proteggere il mio lavoro e non rendere accessibili dettagli sensibili come il numero delle spire e le sezioni dei fili, ho censurato tali informazioni. Ho dedicato una giornata intera alla realizzazione di questo schema, derivato dalla sbobinatura di un trasformatore danneggiato. Non divulgo gli schemi dei miei trasformatori, ma questo esempio serve a rendere chiaro il concetto. Si tratta del trasformatore di un amplificatore commerciale Conrad Johnson MV50, apprezzato da molti, eppure costruito con un numero di sezioni tutt’altro che esagerato.

Quando sento parlare di trasformatori con 30 o 35 sezioni, mi vien da ridere. Non dico che sia fisicamente impossibile realizzarli, ma bisogna poi vedere come si comportano davvero. Un trasformatore non diventa buono perché ha tanti strati o tante sezioni: diventa buono se misura bene, lavora bene con la valvola prevista e non introduce difetti nel segnale.

Un po’ di chiarezza sull’induttanza primaria

L’induttanza primaria di un trasformatore d’uscita deve essere adeguata alla valvola, all’impedenza primaria, alla potenza e alla frequenza minima che si vuole riprodurre. Non è un numero da scegliere a piacere.

Se un trasformatore progettato per una certa valvola riesce a riprodurre correttamente i 10 Hz con 20 Henry di induttanza primaria, non ha senso pretendere per forza 80 o 100 Henry. Aumentare inutilmente il numero di spire porta con sé svantaggi: maggiore resistenza del rame, maggiori capacità parassite, peggioramento della risposta in alto e maggior rischio di problemi legati al nucleo.

Il valore corretto dipende anche dalla resistenza interna della valvola. Un triodo come la 2A3, con bassa resistenza interna, richiede un’induttanza primaria inferiore rispetto a una valvola con resistenza interna molto più alta. Per questo non ha senso copiare un valore visto su un forum e pretendere che sia valido per qualunque trasformatore.

Potete cliccare qui per leggere un articolo dedicato alla specificità dei trasformatori d’uscita, dove spiego meglio perché un trasformatore deve essere progettato per una determinata valvola e per un determinato circuito.

I 100 Henry di induttanza primaria e il mito nato dalle simulazioni

Molte persone mi chiedono perché nei miei listini dichiaro la banda passante dei trasformatori ma non sempre l’induttanza primaria. Il motivo è semplice: quel numero, letto da solo, viene spesso frainteso. In particolare, alcuni software di simulazione come Spice e LTspice hanno contribuito, involontariamente, a creare il mito secondo cui servirebbero sempre induttanze enormi.

LTspice è un ottimo software, che utilizzo anch’io, ma va capito. Simulare bene un trasformatore d’uscita audio non significa disegnare due induttanze accoppiate e basta. Un trasformatore reale ha resistenze, induttanze disperse, capacità parassite tra spire, tra avvolgimenti, verso il nucleo, perdite magnetiche, comportamento non lineare del nucleo e molto altro.

Nelle mie prove ho provato diverse volte a inserire in LTspice valori misurati su trasformatori reali: induttanza, resistenza DC, perdite, capacità parassite e altri parametri. Il risultato però non corrispondeva mai perfettamente al comportamento reale del trasformatore sul banco. In simulazione sembrava spesso che l’induttanza primaria fosse insufficiente, mentre nel circuito reale il trasformatore funzionava correttamente.

Per fare una simulazione veloce di un amplificatore valvolare, spesso si finisce quindi per usare valori molto alti, per esempio 100 Henry, non perché il trasformatore reale debba necessariamente avere quel valore, ma perché il modello semplificato richiede un’approssimazione comoda per non falsare troppo il resto del circuito.

Alcuni produttori, per evitare discussioni, dichiarano induttanze enormi: 200, 300, 500 Henry. Poi, quando il trasformatore viene misurato seriamente, magari si scopre che il valore reale è molto più basso. Ho visto personalmente interstadio dichiarati per centinaia di Henry che, misurati con un ponte, erano ben lontani da quei numeri.

Dal punto di vista commerciale è facile vendere un numero grosso. Se dici a qualcuno che per una 2A3 può bastare un trasformatore con circa 15 Henry di induttanza primaria, molti ridono. Però, se quel trasformatore è progettato correttamente, può funzionare benissimo. La prova non è il numero stampato sul foglio, ma la risposta reale, la distorsione, il comportamento sul carico e il risultato nel circuito.

Quindi, se volete simulare in modo rapido un amplificatore valvolare in LTspice, potete anche usare un’induttanza primaria alta, per esempio 100 Henry, come approssimazione pratica. Ma non bisogna poi confondere quel numero con il valore necessario in un trasformatore reale. Nei miei listini preferisco dichiarare la banda passante misurata, perché è un dato molto più utile per capire come lavora il trasformatore.

Per avere un riscontro concreto basta guardare nuovamente il datasheet Tamura, in particolare la colonna “Primary Inductance”. Si trovano trasformatori con valori di poche decine di Henry, e alcuni modelli adatti a impedenze primarie compatibili con valvole come la 2A3 hanno valori intorno a 15-18 Henry. Non sono trasformatori economici o improvvisati: sono Tamura.

Questo dovrebbe bastare per capire che l’induttanza primaria non va idolatrata. Deve essere corretta, non enorme. Chi spara numeri giganteschi senza mostrare misure complete, banda passante e condizioni di prova, spesso sta solo cercando di impressionare il cliente.

La risposta di Pier Aisa alla questione della simulazione dei trasformatori: Mi sono rivolto a Pier Aisa per domandargli se sapesse il motivo per cui non risulta possibile simulare correttamente un trasformatore d’uscita su LTSpice, e la sua risposta è stata questa:

Spice è un simulatore molto potente e a seconda della accuratezza dei modelli può dare risposte più o meno aderenti a quello che avviene alla realtà. Un discorso a parte riguarda i magnetici che per essere modellati in Spice hanno necessità di avere tutti i parametri parassiti che riguardano gli avvolgimenti, specialmente se si usano in ambito audio dove la banda passante e la risposta in frequenza sono determinanti per la buona riuscita di un progetto. Per la mia esperienza bisognerebbe arricchire il modello del trasformatore inserendo tutti i componenti discreti di Spice che modellano i vari parassiti e sono veramente tanti mi riferisco a induttanza dispersa induttanza di magnetizzazione capacità spira spira capacità avvolgimento avvolgimento capacità avvolgimento nucleo capacità rispetto alla massa. Da un punto di vista elettronico di conseguenza è decisamente complicato ottenere questo tipo di modello anche se si riuscisse ad eseguire delle misure proprio per identificare questi parassiti.

In passato ho modellato funzioni non lineari come sono quelli dei nuclei magnetici tramite l’elemento Spice CORE che permette di rappresentare esattamente la curva di magnetizzazione B-H ed usarla. Allego un vecchio articolo che si riferisce a orcad ma la teoria è applicabile anche a LTSpice

https://ltwiki.org/index.php?title=Main_Page
https://ltwiki.org/index.php?title=Transformers

Metodi alternativi prevedono l’uso delle sorgenti di tensione corrente comportamentali che in LTSpice si modellano con la primitiva B, E all’interno di questo blocco si possono inserire le equazioni che legano le porte e riprodurre il comportamento di un nucleo magnetico che si può ricavare dal datasheet. La modellazione di componenti è un procedimento che richiede molto tempo e me ne sono occupato in ambito universitario dopo la laurea avevamo la missione di creare dei modelli di livello 7 per i semiconduttori. Considera che normalmente il livello delle librerie è 3.

Ci sono molti metodi di estrazione parametri parassiti che passano dalla estrapolazione per interpolazione o anche con qualche aiutino empirico dalle misure con il fitting di curve. Starebbe un tema estremamente interessante sui trasformatori di uscita in campo audio che sono dei veri e propri laboratori dove sono necessari accorgimenti molto specifici.

Un po’ di chiarezza sul match dell’induttanza primaria

Se due trasformatori audio montati sui due canali di un amplificatore hanno valori molto diversi, per esempio 10 Henry da una parte e 25 Henry dall’altra, allora certamente c’è un problema. Ma se un trasformatore misura 10 Henry e l’altro 11 Henry, la differenza è irrilevante nella pratica.

L’induttanza primaria non è un valore fisso come una resistenza di precisione. Può cambiare con il livello di misura, la frequenza, la temperatura, la magnetizzazione residua del nucleo e persino con piccole sollecitazioni meccaniche. Due trasformatori costruiti con lo stesso schema, dagli stessi materiali e dallo stesso avvolgitore, se misurano in modo simile e hanno la stessa risposta in frequenza, sono già sufficientemente abbinati. Il match ha senso, ma non va trasformato in superstizione.

Riprendiamo il discorso sulla banda passante

La banda passante di un trasformatore d’uscita è un parametro importante, ma va letta correttamente. Non basta sapere “fino a dove arriva”. Bisogna sapere con quale attenuazione arriva, a quale potenza, su quale carico e con quale comportamento di fase.

Un trasformatore che arriva a 20 kHz ma è già in attenuazione graduale da 5 kHz non è equivalente a un trasformatore che rimane praticamente piatto fino a 20 kHz e poi cala lentamente. Entrambi potrebbero essere descritti in modo superficiale come “20 kHz”, ma il risultato reale sarebbe molto diverso.

L’attenuazione, misurata in decibel, indica quanto il segnale viene ridotto a una certa frequenza. Un’attenuazione di 3 dB corrisponde a circa metà potenza, oppure a circa il 70,7% della tensione. Per un’applicazione HiFi seria, una specifica a -1 dB è più severa e più significativa di una generica specifica a -3 dB, ma anche qui bisogna sempre conoscere le condizioni della misura.

Dire che un amplificatore arriva a 20 kHz a -1 dB non significa che il segnale sia perfetto fino a 20 kHz e poi cada di colpo. Spesso l’attenuazione inizia prima e cresce gradualmente. Questo significa che il sistema si comporta come un filtro dolce, che può influenzare anche frequenze perfettamente udibili.

Nessuno sa cos’è la rotazione di fase: La rotazione di fase è la variazione dell’angolo di fase del segnale al variare della frequenza. In parole semplici, alcune componenti del segnale arrivano in ritardo rispetto ad altre. Questo fenomeno non si vede leggendo solo la curva di ampiezza, ma può influenzare la resa sonora, la stabilità del circuito e il comportamento della controreazione.

Relazione tra rotazione di fase e banda passante: La rotazione di fase è strettamente legata alla risposta in frequenza. Quando un trasformatore inizia ad avvicinarsi ai suoi limiti, non compare solo attenuazione: compare anche sfasamento. Più il trasformatore lavora vicino ai propri limiti, più la fase tende a ruotare.

Effetti negativi della rotazione di fase indesiderata: Una rotazione di fase importante può peggiorare la precisione della riproduzione, rendere meno stabile l’immagine sonora e creare problemi quando il trasformatore lavora dentro un amplificatore controreazionato. Non è magia e non è suggestione: è comportamento elettrico misurabile.

Inoltre, è importante considerare l’interazione tra rotazioni di fase e controreazione nei finali di potenza. Una parte dei problemi attribuiti genericamente alla controreazione nasce in realtà da trasformatori e circuiti che non la reggono correttamente. Eliminare la controreazione può mascherare il problema, ma non sempre significa risolverlo.

Per chi mi dà del “pipistrellone”: Quando si parla di trasformatori capaci di superare i 20 kHz, qualcuno tira fuori la solita battuta dei concerti per pipistrelli. La battuta può anche far sorridere, ma dimostra che il problema non è stato capito. Non interessa ascoltare gli ultrasuoni. Interessa evitare che attenuazione, fase e risonanze disturbino la gamma udibile.

Molti adulti non sentono oltre i 15 o 16 kHz, ma questo non significa che un trasformatore che si comporta male sopra quelle frequenze sia automaticamente innocuo. Se la rotazione di fase inizia molto prima, o se la risposta è già inclinata dentro la gamma udibile, il danno non è negli ultrasuoni: è nel modo in cui viene riprodotta la musica che possiamo sentire.

Vediamo in questa figura un trasformatore di uscita di bassa qualità. Nel grafico in giallo è rappresentata la banda passante, con scala di 5 dB per divisione, mentre in azzurro è rappresentata la rotazione di fase, con scala di 50 gradi per divisione:

A) Si vede una banda passante di circa 15 Hz – 35 kHz a -5 dB. La rotazione di fase parte già molto marcata in basso, arriva a circa 100 gradi fino a 1 kHz e poi continua a peggiorare gradualmente verso l’alto.

Ora vediamo sotto come si comporta un trasformatore a larga banda prodotto da SB-LAB, dello stesso tipo e per la stessa valvola:

B) Qui vediamo una banda passante di circa 10 Hz a -2 dB e 180 kHz a -3 dB. La rotazione di fase in basso si assesta già intorno ai 100 Hz, rimane molto più controllata nella gamma audio e arriva a 50 gradi solo a frequenze molto alte, intorno ai 100 kHz.

In questo articolo ho analizzato un caso concreto in cui un amplificatore presentava problemi di rotazione di fase. I trasformatori erano di mia produzione, ma il circuito aveva difetti di progettazione che peggioravano il comportamento complessivo. Con alcune modifiche mirate ho mostrato quanto possa cambiare il risultato quando trasformatore e circuito lavorano correttamente insieme.

Un trasformatore con banda molto ampia tende anche ad avere minori capacità parassite e un comportamento migliore sui transitori. Questo si vede bene osservando la risposta all’onda quadra. Il ringing è un’oscillazione smorzata che compare sui fronti del segnale, legata alle risonanze del trasformatore.

Quelle che seguono sono due esempi di ringing tipico in trasformatori di qualità media:

Quella che segue è invece l’immagine del ringing di un trasformatore di ottima qualità, ad alta banda passante:

Vediamo ad esempio questa quadra a 1 kHz di un trasformatore SB-LAB:

E la stessa quadra emessa da un trasformatore di un amplificatore economico made in China:

Naturalmente, durante l’ascolto non si riproducono onde quadre, ma musica. Le onde quadre servono per mettere in evidenza difetti che con una sinusoide singola possono passare inosservati. Se un trasformatore mostra ringing, sovraelongazioni o fronti deformati, quei problemi non spariscono quando si ascolta musica: si manifestano come perdita di pulizia, minor precisione sui transienti e suono più confuso.

Un valido motivo per sovradimensionare i nuclei e usare lamierini EI invece di altri nuclei

Un’altra critica che ho ricevuto riguarda le dimensioni dei miei trasformatori. Ne ho già parlato in passato, ma vale la pena chiarire un punto: il nucleo del trasformatore influisce soprattutto sulla parte bassa e media della banda audio, dove il flusso magnetico è più rilevante. Per ottenere un buon comportamento è importante che il nucleo lavori a bassa induzione, lontano dalle zone più non lineari della curva di isteresi.

Un nucleo piccolo, spinto al limite, può introdurre armoniche indesiderate e rendere il suono più sporco. Un nucleo più grande, usato con criterio, lavora in modo più rilassato e lineare. Questo è uno dei motivi per cui spesso preferisco trasformatori apparentemente sovradimensionati.

Uso volentieri nuclei a lamierini EI, anche se alcuni li disprezzano perché li considerano comuni o meno “nobili” rispetto a toroidali, doppia C o materiali ad alta permeabilità. In realtà i lamierini EI, se usati bene, hanno vantaggi importanti: sono prevedibili, tollerano meglio certe condizioni di lavoro e hanno una curva di saturazione più progressiva.

I nuclei toroidali, per esempio, possono essere molto efficienti, ma in un trasformatore d’uscita audio non sempre sono la scelta migliore. Possono soffrire maggiormente correnti continue indesiderate, sbilanciamenti di bias nei push-pull o condizioni non ideali. Nei single-ended, dove la corrente continua è voluta, la scelta del nucleo e del traferro diventa ancora più critica.

Non esiste il nucleo perfetto in assoluto. Esiste il nucleo adatto a quel trasformatore, a quella valvola e a quel circuito. La mia scelta dei lamierini EI non nasce da economia o abitudine, ma da prove pratiche e risultati misurati.

Attenzione a chi dichiara dati falsi o incompleti
Alcune pratiche discutibili usate da produttori che non pongono sufficiente cura sulla qualità del lavoro.

Molto spesso nei listini si vedono bande passanti dichiarate con valori troppo perfetti: 20 Hz – 20 kHz, 30 Hz – 30 kHz, 10 Hz – 50 kHz, sempre tondi e sempre uguali. Nella produzione reale è difficile che trasformatori diversi abbiano limiti esattamente così puliti. Uno potrebbe arrivare a 29 kHz, un altro a 34 kHz, un altro ancora avere un comportamento diverso in basso. I numeri troppo belli e troppo ripetuti vanno sempre letti con prudenza.

Ancora più importante è l’attenuazione. Una banda dichiarata senza indicare i dB non significa nulla. 30 Hz – 30 kHz a -1 dB è una cosa; 30 Hz – 30 kHz a -6 dB è un’altra. Anche la potenza di misura è fondamentale, perché un trasformatore può comportarsi bene a basso livello e peggiorare quando gli viene chiesta potenza reale.

Anche mostrare solo onde quadre non basta. La risposta all’onda quadra è utile, perché evidenzia ringing, sovraelongazioni e limiti sui transienti, ma non sostituisce una misura completa della risposta in frequenza, della fase, della distorsione e del comportamento sul carico previsto.

In conclusione, un trasformatore d’uscita non si giudica da un numero isolato, da una frase di marketing o da una foto dell’oscilloscopio. Si giudica dall’insieme: banda passante dichiarata correttamente, attenuazione, condizioni di misura, comportamento in fase, risposta all’onda quadra, accoppiamento con la valvola e risultati reali nel circuito.

La banda passante estesa non serve per fare concerti ai pipistrelli. Serve per far lavorare meglio il trasformatore dentro la banda udibile, riducendo attenuazioni, rotazioni di fase, risonanze e difetti che invece l’orecchio li sente eccome. Un buon trasformatore non deve stupire con numeri inventati: deve misurare bene, funzionare bene e suonare bene.