Banda passante di un trasformatore audio HiFi

Questo articolo parla dei trasformatori presi di per se, ed è correlato con l’articolo che parla in generale della banda passante di un’amplificatore che potete leggere cliccanto questo stesso link.

Premessa: Per banda passante di un’amplificatore si intende lo spettro di frequenze, dalla più bassa alla più alta che un’amplificatore riesce a riprodurre senza distorsioni con una tolleranza di 3dB. Sono molti i fattori che influenzano la banda passante. Un’amplificatore degno di essere definito HiFi deve avere una banda passante che va da 20Hz a 20kHz indistorti e senza attenuazioni.

Banda passante del

Il problema è che molti credono che sia sufficiente che il trasformatore arrivi a 20khz perchè questo non distorca, ma non c’è un ragionamento più errato di così, purtroppo i trasformatori audio introducono distorsioni, rotazioni di e attenuazione già molto prima del loro limite di banda, quindi è necessario che la banda passante del trasformatore si estenda molto oltre la gamma udibile perchè in quest’ultima non vi siano distorsioni.

Bufale del WEB

Qualcuno va affermando che la banda passante di un’amplificatore non debba essere eccessiva. È un’aberrazione affermare che avere una banda passante elevata sia una caratteristica “limitativa” sopratutto per quello che riguarda le rotazioni di fase (di cui parlerò sotto). In secondo luogo un trasformatore o amplificatore che arriva solo a 50Hz apporterà una udibile attenuazione fino a 100Hz se non oltre, il trasformatore DEVE arrivare ad almeno 30Hz con i -3dB se non si vuole sentire una carenza di bassi. Lo stesso discorso vale per i tweeter, i tweeter possono venir danneggiati se gli si da una potenza maggiore di quella che possono gestire oppure se per colpa di errati collegamenti nel crossover gli arrivano frequenze basse.

Può valere il discorso del limitare volutamente la banda passante NEL CIRCUITO, ma non nel trasformatore, più per un discorso di emissioni RF che forse potrebbero danneggiare qualche tipo di tweeter e comunque questa limitazione circuitale deve essere fatta con un certo criterio, se è presente un anello di ad esempio è imperativo che il taglio avvenga al di fuori di esso, se no si introdurranno delle rotazioni di fase, il circuito poi deve essere concepito in modo da evitare che escano disturbi ultrasonici o frequenze , ma non brutalmente limitato a 20khz.

A supporto di quanto sto dicendo riporto qui sotto l’esempio dei trasformatori d’uscita della tamura (un punto di riferimento). Clicca per ingrandire

demo tamura

I trasformatori di questa famiglia vengono venduti a circa 1300 euro la coppia, dalla tabella e dal grafico si può vedere che hanno bande passanti mediamente di 10Hz -1dB a 100kHz -3dB, sono riconosciuti in tutto il mondo come i migliori trasformatori audio, (sebbene il loro costo sia spesso proibitivo) e a sentire quelli che dicono “e ti scassa il woofer e ti scassa il tweeter” verrebbe da dire che non capiscono niente sti giapponesi.

La maggior parte delle persone si “accultura” sui forum dove si parla di tutto e di più, dove la sapienza di alcuni si mescola con la totale ignoranza di molti altri, si leggono leggende di persone che dicono che bisogna intervallare primario e secondario almeno 20/30 volte, altri dicono che se non hai almeno 100henry di induttanza primaria non va niente, oppure che se l’induttanza dei 2 trasformatori sui 2 canali non è perfettamente uguale allora è un disastro, suoneranno in modo completamente diverso ed è necessario che i 2 trasformatori siano matchati a coppie…

Purtroppo questo è un calderone di nozioni spesso senza nè capo nè coda, dove perle preziose si mescolano con assolute cavolate, oppure nozioni che se tolte dal loro contesto perdono di significato. Oltretutto quasi sempre viene ignorata totalmente la cosa più importante: la banda passante, o addirittura pur di vendere un prodotto di mediocre qualità si arriva a dire che non è necessaria o peggio a mentire sulle reali caratteristiche dei trasformatori (quante volte avete visto dichiarato bande passanti senza che sia dichiarata l’attenuazione ? quante volte avete visto riportate le condizioni del test ? (troppo facile fare un trasformatore da 100Watt  e dire che arriva a 100khz… ma poi ci arriva solo 0,1watt di potenza). Io dichiaro sempre le condizioni del test.

Un pò di chiarezza sull’intervallamento

Un trasformatore audio va intervallato, per “intervallato” si intende che al contrario dei trasformatori di dove il primario e il secondario sono 2 avvolgimenti separati, in un trasformatore audio vengono intervallati più volte pezzi di primario e di secondario. Intervallando gli avvolgimenti nel trasformatore si aumenta il loro “accoppiamento”, aumentando l’accoppiamento si aumenta lo smorzamento che si avrà su diffusore perchè l’operato dell’altoparlante si rifletterà maggiormente sul primario e quindi sulla valvola. L’accoppiamento tra primario e secondario si conosce misurando l’induttanza dispersa, minore è l’induttanza dispersa maggiore è l’accoppiamento tra i 2 avvolgimenti.

Molti pensano che sia necessario intervallare molto per avere un suono migliore: Assolutamente vago e impreciso! più si intervalla più aumenta la superficie delle armature del condensatore parassita che si forma tra primario e secondario, più aumenta questa superficie più aumenta la capacità parassita, più aumenta la capacità parassita più cala la banda passante in alto, quindi intervallando troppo un trasformatore si ottiene esattamente quello che non si dovrebbe ottenere, ossia il taglio delle frequenze acute!

Quante sezioni deve avere un trasformatore audio? dipende dal trasformatore! Inutile chiedere 10 15 o 20 sezioni, non ha senso! In base al rapporto di trasformazione, dal numero di spire e dalla potenza sarà possibile fare più o meno sezioni, dipendentemente dalle capacità che si formano e da quanto queste pregiudicano la banda passante. È completamente assurdo per pochissimo accoppiamento in più tagliare tantissimo le frequenze alte, ottenere un trasformatore con un pochino in più di smorzamento che però fa bene solo i bassi.

Se realizzando un primo prototipo con un numero di sezioni arbitrario si scopre che questo ha una banda passante altissima allora si può realizzare un nuovo campione con più sezionamenti altrimenti bisognerà diminuirli o usare altre tecniche per diminuire la capacità parassita. La leggenda del tizio che ha fatto un trasformatore con 35 sezioni è appunto leggenda, se codesta persona è esistita veramente significa che ha costruito un trasformatore che a fatica riproduceva frequenze oltre un paio di kHz ma visto che “ogni scaraffone è bello a mamma sua” questa persona dirà senza problemi che suona divinamente (magari lo usa per un subwoofer ?!). Con questo però non voglio dire che bisogna farne troppe poche, tutto deve essere fatto con la giusta misura.

Un pò di chiarezza sull’induttanza primaria

Se l’induttanza primaria è scarsa un trasformatore audio non riesce a riprodurre le frequenze basse. Quale dev’essere l’induttanza primaria di un trasformatore audio? L’induttanza primaria di un trasformatore audio deve essere quella giusta per quel trasformatore e la valvola con cui andrà ad abbinarsi. L’induttanza primaria dipende dal numero di spire del primario e dalla sezione del nucleo. Se un trasformatore “X” arriva tranquillamente a riprodurre 10Hz con 20Henry di induttanza primaria è assolutamente inutile richiedere un’induttanza primaria maggiore, perchè non vi serve riprodurre frequenze ancora più basse, aumentare il numero di spire senza motivo serve solo a diminuire la banda passante alta del trasformatore, quindi se leggete su un forum che il tizio tal dei tali ha fatto un trasformatore con TOT induttanza primaria (assumendo che quel trasformatore poi andasse veramente bene), quel valore aveva significato SOLO su un trasformatore con quella impedenza primaria e quella data potenza, non potete chiedere di avere un trasformatore con un data impedenza e anche una data induttanza a vostro piacimento, non è così che funziona.

L’induttanza primaria necessaria è anche in funziona alla resistenza interna della valvola utilizzata, un con una resistenza interna di 800ohm (ad esempio una ) avrà bisogno di un trasformatore con un’induttanza primaria inferiore rispetto ad un trasformatore fatto per una valvola che ha una resistenza interna di 6000ohm (KT88). Anzi per chi non lo sapesse al diminuire della resistenza interna della valvola diminuisce leggermente anche la banda passante alta espressa dal trasformatore ed è necessario diminuirla per recuperare quanto perso. Per questo motivo io non dichiaro le induttanze primarie dei trasformatori, ma piuttosto la banda passante misurata a banco e la valvola con cui tale trasformare va abbinato. Se prendiamo il trasformatore “X” fatto per la valvola “Y” che ha una resistenza interna ipotetica da 1000ohm che ha una certa banda passante e lo si fa funzionare con una valvola diversa la banda passante mostrata dal trasformatore subirà un leggero slittamento verso l’alto se la resistenza interna di tale valvole è superiore a 1000ohm o un leggero slittamento verso il basso se questa valvola ha una resistenza interna inferiore a 1000ohm. Solitamente cambiare valvola rispetto quella per cui quel trasformatore è stato calcolato non è un problema se le resistenze interne sono vicine, in quel caso lo spostamento sarà minimo e rilevabile solo agli strumenti, nel caso invece le 2 valvole abbiano resistenze molto differenti, immaginiamo un trasformatore pensato per un pentodo con 6000ohm di resistenza interna fatto funzionare con un triodo da 800ohm, in certi casi (non sempre) potrebbe essere un problema e quindi conviene fare un trasformatore su misura.

Ancora: un trasformatore che abbia la giusta induttanza primaria (non esagerata) mostrerà un’andamento dell’impedenza lineare rispetto alla frequenza, ossia l’impedenza riflessa sul primario non varierà significativamente al variare della frequenza, al contrario un trasformatore con induttanza sovradimensionata potrebbe avere andamenti dell’impedenza irregolari o che tendono ad aumentare all’aumentare della frequenza.

Un pò di chiarezza sul match dell’induttanza primaria di un trasformatore

Se ho 2 trasformatori audio su 2 canali di un’amplificatore, uno ha un’induttanza primaria di 10Henry e l’altro ne ha 25 allora si, ho un grosso problema! ma se ho 2 trasformatori uno ha 10Henry e l’altro ne ha 11 allora il problema è solo nella testa della persona; se misuriamo la banda passante dei 2 canali di questo amplificatore vedremo che un canale fa ipoteticamente 20Hz~50kHz -3dB e l’altro fa 19,99Hz~49,99kHz… Impossibile notare differenza all’ascolto.

Inoltre piccole variazioni di induttanza primaria si hanno al variare della temperatura o se si applica forza meccanica sul trasformatore, quindi poi molta gente compra trasformatori matchati in fabbrica poi vanifica il match quando li monta perchè uno dei 2 trasformatori si scalda di più, per vicinanza alla oppure perchè ha tirato una vite più da una parte che dall’altra.

Potete collegare un trasformatore (tenendolo in mano) all’induttanzimetro e vedere la sua induttanza primaria variare lentamente man mano che la vostra mano lo riscalda! Potete dargli un colpetto con il manico di un cacciavite e veder che si sposta di qualche decimale! Quindi il match è assolutamente una stupidaggine! Date retta a me piccole differenze sono irrilevanti, quando 2 trasformatori sono stato costruiti dalla stessa mano con lo stesso costruttivo e gli stessi materiali allora le loro induttanza primarie saranno molto vicine tra loro e suoneranno nello stesso modo punto a basta.

Torniamo sulla banda passante

In assoluto il parametro più ignorato, in assoluto il parametro più importante! La banda passante di un trasformatore di uscita è in assoluto il parametro più importante, se c’è la banda passante e l’induttanza dispersa non supera certi valori, ogni altro valore (qualunque esso sia) non vi deve importare perchè va bene così com’è!

Purtroppo molte persone sottovalutano l’importanza di questo parametro, alcune persone (quelle poi che si credono i super esperti delle valvole) addirittura ti prendono in giro quando parli di queste cose affermando che “fai i concerti per i pippistrelli” o altre sciocchezze simili o che spacchi le casse.

Altri affermano che se il trasformatore arriva a 20khz va bene e se vai oltre non serve a niente perchè tanto l’orecchio umano non ci arriva… si ma?! mai nessuno che parla di attenuazione? nessuno sa cosa sia!… hai un trasformatore che arriva a 20khz… si? con quanta attenuazione??? -1db? -3db? -40db? sono sicuro che potete smontare il trasformatore di alimentazione del vostro forno a microonde e pure quello ci arriva a 20khz… molto attenuato ma ci arriva… Lo usereste mai per fare un’amplificatore con qualche pretesa di essere HiFi? perchè no? a 20khz ci arriva pure lui sicuramente!

Quindi innanzitutto è obbligatorio che oltre la banda passante conoscere l’attenuazione. L’attenuazione di 3 decibel significa che la potenza è dimezzata, questa unità di misura è lo standard, mentre 1dB è il minimo percettibile ad orecchio. In secondo luogo se si dice che un trasformare arriva a 20khz -3dB non è che fino a 19.999 è perfetto e poi a 20.000 crolla giù… significa che, a seconda dei casi, questo trasformatore potrebbe iniziare ad attenuare lentamente partendo da 5kHz fino ad arrivare a 20kHz con i famosi 3dB di attenuazione, il che vuol dire che nel vostro amplificatore avete un bel filtro che vi taglia tutte le frequenze alte, come se aveste messo un’equalizzatore e aveste tirato giù gradualmente tutte le levettine partendo dai medi fino agli acuti!

Nessuno sa cosè la rotazione di fase! c’è un’altro fenomeno molto importante che è la rotazione di fase, per rotazione di fase si intende che il segnale che esce dal trasformatore è in ritardo. La rotazione di fase di un trasformatore aumenta gradualmente man mano che ci si avvicina al limite di banda superiore, minore sarà la banda passante del trasformatore maggiore saranno le rotazioni di fase dentro la gamma udibile (altro che pippistrelli!) e ancora peggio se nel vostro circuito sarà applicato un’anello di negative feedback (da ora in avanti NFB) la rotazione di fase retrocessa nel circuito aumenterà a dismisura le armoniche alte, quelle che fanno suonare male un’amplificatore.

Vediamo in questa figura un trasformatore di uscita di bassa qualità, nel grafico in giallo la banda passante con scala di 5db ogni quadretto, mentre in azzurro la rotazione di fase con scala di 50 gradi ogni quadretto:

A) Possiamo vedere una banda passante di 15Hz – 35khz -5dB … partendo da 10hz la rotazione di fase fa 100gradi fino a 1khz, e poi ulteriori 50gradi, gradualmente fino a 20khz. Ora vediamo sotto un trasformatore a larga banda passante prodotto da SB-LAB, dello stesso tipo e per la stessa valvola come si comporta:

B) Qui vediamo una banda passante di 10Hz -2dB – 180khz -3dB … Partendo da 10hz la rotazione di fase di 50 gradi è già quasi pareggiata a 100Hz (non 1khz), prosegue pressochè piatta fino iniziando a degenerare poco prima dei 10khz (invece che a 1khz) e arriva a 50 gradi di rotazione alla ragguardevole frequenza di 100khz.

Le rotazioni di fase progressive si sentono ad orecchio, e quando si uniscono all’uso di negative feedback producono distorsioni molto brutte e fastidiose, questo significa che il primo trasformatore “A” già scarso di suo suonerà in modo ancora più scadente se si fa negative feedback nel circuito, mentre il trasformatore “B” continuerà a suonare in modo accelso anche in presenza di moderato uso di negative feedback, potendo godere degli effetti positivi dello smorzamento del diffusore che non si può avere senza di esso. Vediamo ad esempio l’analisi di spettro (a 25 watt) di un’amplificatore commerciale che arriva a 34khz (quindi già oltre i canonici 20khz), amplificatore che ha un forte tasso di NFB.

Durante il test questo amplificatore stava riproducendo una frequenza di 1kHz (nella gamma udibile no???), solo che l’1kHz è il primo ago del grafico, tutti gli altri aghi sono armoniche, spudorate distorsioni causate dalle rotazioni di fase introdotte per colpa della scarsa banda passante del trasformatore unita all’uso di NFB, eppure andava oltre i 20khz, arrivava a 34.

Vediamo a confronto l’analisi di spettro di un mio apparecchio, alla massima potenza prima del clipping e facente uso di un trasformatore ad alta banda passante, anch’esso con NFB nel circuito.

Vi state convincendo dell’importanza di avere trasformatori con bande passanti elevate? Molte persone demonizzano l’NFB imputandogli colpe che non ha, clicca qui per leggere un’articolo che parla del negative feedback.

Se un trasformatore audio ha una banda passante molto elevata invece (che vada molto oltre la gamma udibile tipo 50/100khz anche) allora all’interno della gamma udibile (da noi esseri umani) non ci saranno rotazioni di fase apprezzabili, quindi anche in presenza di NFB le distorsioni  inizieranno a presentarsi solo sulle frequenze udibili dai nostri amici pippistrelli, per cui ci dispiaciamo molto.

In ultimo: quando un trasformatore ha una banda passante molto elevata vuol dire che le sue capacità parassite sono molto piccole, avendo capacità molto piccole si attenua tantissimo un fenomeno chiamato “ringing”, il ringing sono delle oscillazioni smorzate alla frequenza a cui risuona il trasformatore che si formano sui fronti d’onda. Più è piccola la capacità parassita del trasformatore più alta sarà la frequenza del ringing e minore sarà la sua ampiezza. Quando si vuole visualizzare il ringing di un trasformatore audio si applica al suo ingresso un’onda quadra, rappresentata qui sotto:

quadra

Quelle che seguono sono 2 esempi di ringing tipici in trasformatori di media qualità:

ring1

ring2

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

ring3

Vediamo ad esempio questa quadra a 1khz di un trasformatore SB-LAB…

A la stessa quadra emessa da un trasformatore di un’amplificatore made in cina…

Ovviamente con l’amplificatore si ascolta musica e non onde quadre, le onde quadre si usano durante le misure per rendere evidente il difetto, ma questo c’è anche quando si riproduce musica, ogni qualvolta ci sia un fronte di salita o di discesa nel segnale si genera un pò di questo disturbo che si sovrappone al segnale, quindi hanno poco da blaterare quelli che denigrano l’uso degli strumenti dicendo che è l’orecchio che conta perchè se vedi queste cose sugli strumenti sta pur sicuro che anche ad orecchio lo senti.

Il mito del nucleo a doppia “C”

Un’altra richiesta che diverse persone fanno è quella del nucleo a doppia C, ma siamo sicuri che siano la panacea di tutti i mali o che non abbiano aspetti negativi? Ma che cosa avrebbero di meglio i doppia C? Il nucleo a doppia C ha una maggiore permeabilità magnetica questo in alcuni casi ti permette di andare giù di frequenza mettendo meno spire di rame rispetto quelle che sarebbero necessarie con i lamierini. Mettere meno spire può essere di aiuto per avere meno capacità parassite e quindi più banda passante in alto. La necessità di metter meno spire per scarsità di estensione in alto di solito si ha su trasformatori con impedenze primarie elevate, su trasformatori con impedenze basse potrebbe non essere una necessità impellente. Poi il miglioramento portato dal nucleo a doppia C non è così astronomicamente migliore. Se si è riusciti a produrre un ottimo trasformatore con i normali lamierini rifarlo con nuclei a doppia C non porta da nessuna parte.

Un’aspetto negativo dei nuclei a doppia C che dovete tenere in considerazione molto bene è nella realizzazione di trasformatori per pushpull: se la corrente DC (il bias in sostanza) sui 2 rami del trasformatore non è perfettamente bilanciata un nucleo a doppia C satura quasi subito con risultati poco piacevoli mentre un trasformatore realizzato a lamierini è più tollerante. E non crediate che basti comprare valvole matchate per risolvere i problema, raramente valvole che sono matchate ci restano per più di qualche settimana, dopo inesorabilmente ce ne sarà una che tira qualche milliamper più dell’altra e la poca cura di questo aspetto in tante circuitazioni usate di solito dalla gente non aiuta per nulla. Il match delle valvole dura più a lungo se è stato effettuato dopo che le stesse sono state rodate, ossia le si è fatte funzionare per un certo periodo (giorni) in modo da stabilizzare i loro parametri.

Il nucleo in un trasformatore lavora fino a circa 2khz, al di sopra dei 2khz non esiste più, in pratica se prendete un trasformatore e gli togliete il nucleo, lasciando solo il nudo rocchetto di plastica con gli avvolgimenti questo da 2khz in su continuerà a funzionare tale a quale a prima, la banda passante alta dipende da come è avvolto il rame e non dal tipo di nucleo che viene utilizzato.

Dove sono utili i nuclei a doppia C? I nuclei a doppia C, salvo casi particolari, trovano senso di utilizzo per realizzare piccoli trasformatori  di segnale dove le potenze in gioco sono molto piccole e le resistenze interne delle valvole sono molto elevate (immaginiamo un trasformatore di linea che debba essere pilotato da una ) ed è quindi necessario realizzare qualcosa che sia molto piccolo come ingombri, con basse capacità e basse resistenze DC e al contempo abbia un’induttanza primaria sufficiente per riuscire a riprodurre le basse frequenze, con nuclei a lamierino questo può diventare abbastanza difficoltoso da realizzare.

Attenzione a chi dichiara dati falsi o incompleti e altre cose a cui stare attenti

Elenco qui una serie di pratiche messe in atto da chi produce trasformatori senza cura della qualità.

  • Tutti i trasformatori del listino hanno bande passante dichiarate perfettamente uguali tra loro e spesso stereotipate, ad esempio 20Hz/20khz – 30Hz/30khz etc…
    Impossibile, quando produci un trasformatore difficilmente hai tagli precisi e perfetti, sopratutto tra trasformatori di diversa fattura, è veramente difficile che tutti i trasformatori arrivino perfettamente a 30khz, ma uno a 29 o un’altro a 34?
  • Attenuazioni non dichiarate… Se si specifica un limite di banda 20Hz 30khz è necessario anche dichiarare i decibel di attenuazione ed eventualmente la potenza a cui è stata effettuata la misura, diversamente il dato di banda passante dichiarato è assolutamente irrilevante.
  • La risposta alle sole onde quadre non indica la qualità del trasformatore, l’assenza o la poca presenza di ringinging indica che le componenti risonanti sono basse e lontane dalla gamma udibile, dato sicuramente importante ma non da solo.