L'effetto partitore e il guadagno del SUT

 

 

 

Scopi del trasformatore di step-up (SUT): fornire guadagno di tensione e damping elettrodinamico

Il trasformatore di step-up, nel caso di utilizzo come unità di guadagno passiva per testine moving coil, fornisce due importantissime funzioni:

1. Eleva la tensione di uscita della testina, per portarla ad un livello congruo alla accettazione di ingresso di un phono MM. Il guadagno del trasformatore puo' essere espresso come ratio oppure in dB. Valori tipici di ratio sono da 1:10 fino a 1:40
2. Funge da adattatore di impedenza, facendo vedere alla testina l'impedenza del phono trasformata dividendola secondo il quadrato del rapporto di trasformazione del SUT.  Il calcolo è molto semplice, infatti la Z riflessa al primario la si ottiene dividendo la Z presente sul secondario per il quadrato del rapporto spire. L'impedenza traslata al primario, che carica la testina, è molto importante perchè su di essa viene dissipata una certa quantità di energia che è tanto maggiore tanto piu' l'impedenza riflessa è bassa. Questa dissipazione, per la legge di Lenz, genera una forza elettrodinamica che fornisce smorzamento elettromagnetico esterno dell'equipaggio mobile. Per approfondire questo concetto rimando alla white paper dedicata. 

Le testine MC, hanno sempre bisogno di una certa quota di damping elettrodinamico esterno per funzionare bene, affinchè la risonanza sia controllata. Questo aiuta ad ottenere il perfetto equilibrio timbrico e di tracciamento del fonorivelatore. A seconda della tipologia costruttiva delle testine moving coil, alcune possono avere un damping elettromeccanico intrinseco sostenuto, altre meno. Dunque, con lo smorzamento che possiamo fornire, e regolare, per via esterna "caricando" la testina, possiamo effettuare una importantissima azione di tuning d'ascolto.

Tornando a noi, per variare l'entità della resistenza riflessa al primario, e dunque lo smorzamento elettromeccanico esterno,  i due unici parametri che intervengono nell'equazione sono la impedenza di ingresso del pre phono e il rapporto "n" di trasformazione del SUT. 

Nella figura vediamo un esempio relativo a una Denon Dl103 collegata a  uno step up 1:12 il quale poi si interfaccia a un phono MM con impedenza canonica di 47 Kohm . 

Calcolo della impedenza vista dalla testina attraverso il reciproco del quadrato del rapporto spire del SUT

 

 

La differenza tra guadagno teorico e guadagno effettivo: l'effetto partitore

La tensione che la testina  trasferire sul secondario del trasformatore è dato dal valore della tensione che lei eroga moltiplicata  per il rapporto spire. Ma questo è un valore teorico massimo, nella pratica il fenomeno dell’effetto partitore, renderà disponibile sul secondario una percentuale minore di tale valore teorico.

Nel quantificare l’effetto partitore entrano in gioco due variabili: l’impedenza interna della testina in relazione alla impedenza di carico che lei vede. Questa ultima è a sua volta funzione della impedenza che carica il secondario e del rapporto di trasformazione del SUT.  Collegando il primario del SUT, la testina “vede” un carico equivalente pari a:

 

 formula per il calcolo della R riflessa al primario dal SUT

L’effetto partitore ci quantifica quanta tensione, tra tutta quella disponibile, sarà effettivamente applicata al primario del trasformatore. L’effetto partitore è tanto piu' dannoso tanto più l’impedenza interna della testina è paragonabile alla impedenza riflessa del pre phono sul primario.

 

formula per il calcolo della tensione effettivamente disponibile al primario del SUT, causa partitore di tensione

Senza tanti giri di parole, vediamo che è proprio un partitore di tensione, cioè la tensione utile applicata al primario, è solo una parte di quella disponibile, perche una parte viene dissipata sugli avvolgimenti interni della testina.

se $Ri$ → quasi tutta la tensione arriva al primario
se $\approx Ri$ → metà tensione persa
se $\ll Ri$ → tensione drasticamente ridotta

Consideriamo ad esempio uno step up in forte salita, ad esempio 1:30. Al secondario abbiamo un phono MM con impedenza di ingresso di 47 Kohm.  Esso riflette sul primario una impedenza molto bassa poiché il quadrato del rapporto spire è molto elevato: 

47000/900≈52Ω

Ammettiamo che la testina in uso sia la conosciuta Denon DL103, che ha resistenza degli avvolgimenti di 40 ohm. Ne consegue che:

52 Ω contro 40 Ω → partitore pesante → tensione reale molto inferiore al guadagno teorico

 

Estrapoliamo delle regole

La resistenza interna della testina deve essere molto bassa  molto minore della resistenza che lei vede riflessa,  altrimenti  l'effetto partitore sarà nefasto e una grande percentuale  della tensione generata dal fonorivelatore non sarà disponibile effettivamente ad essere mplificata, poichè viene dissipata  sulla impedenza interna del fonorivelatore.

Regola--> testine dalla elevata impedenza interna non vanno accoppiate a trasformatori di step up in forte salita. D’altro canto le testine con alta impedenza interna (per alta intendo, riferendosi al mondo testine moving coil per uso audio, valori compresi tra 25 e 50 ohm) difficilmente necessitano di SUT con alti livelli di step up in quanto queste testine hanno molte spire nell'equipaggio mobile ( da qui la loro alta impedenza interna) e quindi un elevato segnale utile di uscita.

 

L'altra faccia della regola è la seguente--> Testine con basso valore di impedenza interna possono invece lavorare con step up in forte salita. Questo poiché la resistenza interna sarà comunque sempre molto minore della impedenza riflessa sul primario. Inoltre l’alto livello di step up si rende necessario per elevare la tensione solitamente molto bassa che queste testine sono in grado di erogare.

Dove finisce la tensione "che muore" sul partitore?

Se la tensione si “perde” sul partitore, in realtà non si perde nel nulla. Essa è una perdita dissipativa, dunque genera calore, e per la legge di Lenz va ad originare damping sull'equipaggio mobile. Dunque se è vero che avremo meno tensione utile, d'altro canto avremmo un sistema piu smorzato. Lo smorzamento va calibrato con cur, ne troppo ne troppo poco. In linea di principio comunque le regole sovra esposte restano valide, cioè di non usare testine con impedenza di ingresso paragonabile al valore della impedenza che loro vedono ( in verità esistono rari casi in cui questa regola puo' e deve essere infranta, ma parlarne esula dalla generalità dell'articolo).  Riassumendo:

 

meno tensione disponibile ≠ sistema inefficiente
significa più energia dissipata → più damping

 

Guadagno reale più basso e smorzamento più alto sono due facce dello stesso scambio energetico. In altri termini, filosofeggiando un pò, possiamo dire che lo step-up non “amplifica gratis”. Ogni millivolt guadagnato in uscita nasce da un equilibrio energetico tra tensione disponibile e corrente dissipata. Il partitore è semplicemente il luogo matematico dove questo compromesso diventa visibile

Una doverosa precisazione

Il modello a partitore resistivo costituisce una rappresentazione semplificata ma efficace del fenomeno, poiché nella realtà l’impedenza primaria è complessa e frequenza-dipendente. Tuttavia, ai fini della comprensione del trasferimento energetico e del damping elettromagnetico esterno, la componente resistiva riflessa rappresenta il fattore dominante.