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Accademia dell’audio

di Roberto Montecchia

Focal FPS 2300RX Dedicato alla musica Il prestigio conseguito da Focal con la sua produzione di altoparlanti ai massimi livelli tecnologici cerca conferma anche nell’ambito delle elettroniche dove l’azienda francese presenta la prima serie di amplificatori di potenza ad IGBT.

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ocal, orgoglio dell’alta fedeltà francese, può vantare una solidissima fama di eccellenza sonora e costruttiva, evidenziata in ambito domestico dal prestigioso sistema di altoparlanti Grande Utopia (da ascoltare assolutamente se vi si presentasse la possibilità!). Anche nel mondo dell’hi-fi in auto i suoi altoparlanti costituiscono un riferimento per musicalità, e in particolare la linea Utopia Beryllium ha conferito a Focal un prestigio notevole in questo settore, portando poi alla realizzazione e commercializzazione di diverse linee di amplificatori car. Oggi suggella la reputazione conquistata negli anni con il lancio dei nuovi amplificatori di potenza “Focal Power Symmetric Amplifier”. Questa serie di elettroniche si distingue per l’impiego di semiconduttori di potenza IGBT negli stadi d’uscita (vedere il riquadro specifico); con questo investimento di risorse Focal è il primo, tra i produttori di elettroniche, a

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commercializzare in ambito car amplificatori ad IGBT. Presentata in anteprima a gennaio al Consumer Electronics Show di Las Vegas, la nuova linea si è subito fregiata del titolo “Innovation Award 2010”. La serie FPSA è composta da quattro modelli, per la precisione un monofonico da 320 W (FPS 1500), un finale a quattro canali da 120 W ciascuno (FPS 4160) e due modelli stereo, completi di crossover programmabile e bass boost: l’FPS 2160, da 105 W per canale, e l’amplificatore in prova, FPS 2300RX, accreditato di 155 W per canale. Completa la gamma un accessorio dedicato, l’FPS High-Cap, che esamineremo sempre su queste pagine.

La punta di diamante, l’FPS 2300RX

FOCAL FPS 2300RX Amplificatore Produttore: Focal-JMlab BP374, 108, Rue de l’Avenir, 42353 La Talaudière, Cedex, France. www.focal-fr.com Distributore per l’Italia: Audio Design, Via dell’Industria 28, Corte Tegge, 42025 Cavriago (RE). Tel. 0522 941444 Prezzo: euro 720,00 CARATTERISTICHE DICHIARATE Potenza continua RMS: 2x155 W su 4 ohm, 2x430 W su 1 ohm, 1x750 W su 2 ohm (alim. 14,4 V, THD <1%). Risposta in frequenza: 10÷25.000 Hz -1 dB. Rapporto segnale/rumore: 89 dB A. Livello di ingresso: 0,2÷4,8 V/13 kohm. Frequenza di crossover filtri p.a./p.b./p.banda: 50÷500 Hz/500÷5k Hz. Bass eq: 95 Hz +9 dB. Dimensioni: 42,9x5,9x25,4 cm

Livrea in metallo leggero, l’apparecchio si presenta composto da due parti: un con-

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misure

Amplificatore Focal FPS 2300RX CARATTERISTICA DI CARICO LIMITE IN REGIME IMPULSIVO in stereo ed a ponte

(matricola n. 10A000210)

SENSIBILITÀ D'INGRESSO per 155 W su 4 ohm max 204 mV; min 5,3 V IMPEDENZA D’INGRESSO 10,4 kohm/100 pF RISPOSTA IN FREQUENZA ad 1 W su 4 ohm

POTENZA MASSIMA AL CLIPPING IN REGIME IMPULSIVO Alimentazione 14.4 volt in stereo 154,2 + 154,1 W su 4 ohm 270,4 + 265,3 W su 2 ohm a ponte 539,9 W su 4 ohm 848,4 W su 2 ohm Alimentazione 11 volt in stereo 52,5 + 54,8 W su 4 ohm 98,7 + 101,0 W su 2 ohm a ponte 206,3 W su 4 ohm 364,5 W su 2 ohm POTENZA MASSIMA AL CLIPPING in regime continuo. Alim. 14,4 V 154,5 + 146,7 W su 4 ohm TRITIM 100 IN REGIME IMPULSIVO impulsi 40 ms, carico 4 ohm resistivo/capacitivo

Andamento distorsione-potenza del Focal FPS 2300RX (curva rossa) confrontato con quello di un finale convenzionale a clipping “duro”, 0 dB pari a 155 watt su 4 ohm, frequenza 1 kHz. Nel Focal la saturazione è decisamente più “morbida” e progressiva rispetto a quanto normalmente si osserva, per cui l’insorgere della saturazione dovrebbe normalmente avere effetti meno udibili all’ascolto.

FATTORE DI SMORZAMENTO su 4 ohm, 1 V RMS a 100 Hz 1460; a 1 kHz 1220; a 10 kHz 641 RAPPORTO SEGNALE/RUMORE PESATO "A" per sensibilità 1 V 91,9 dB RENDIMENTO tutti i canali al clipping su 4 ohm, alim.14,4 V: 68% ASSORBIMENTO A VUOTO 1,3 A ASSORBIMENTO MASSIMO tutti i canali al clipping su 4 ohm: 30,4 A

Una peculiarità di questo Focal che si manifesta subito nel carico limite e il suo scarso gradimento rispetto alle tensioni di alimentazione “risicate”: alimentandolo ad 11 volt l’erogazione risulta pari a circa un terzo di quanto è possibile ottenere a 14,4 volt, laddove la potenza di targa viene praticamente raggiunta. Inoltre il “modo” in cui questo amplificatore distorce è pure diverso dalla norma, perché la saturazione è più progressiva, come avviene nei finali a bassa controreazione o con i finali esterni al relativo anello (il che ovviamente non esaurisce le modalità con le quali è possibile ottenere un simile comportamento, che peraltro va sempre valutato positivamente). Poiché la tritim satura molto in alto ed anche le curve di CCL salgono ripidamente, persino a ponte, se ne deduce una capacità di pilotaggio a prova di parallelismi anche molto “spinti”. L’impedenza d’uscita è particolarmente bassa, dell’ordine di alcuni millesimi di ohm fino alle medie frequenze, il che consente di escludere che i finali siano estranei all loop di reazione. Nella buona norma i rimanenti parametri ad eccezione del rendimento, che è molto migliore della media. F. Montanucci


Il trasformatore è toroidale con avvolgimenti fatti con cavo multifilare. Sulla sinistra sono riconoscibili gli IGBT impiegati come finali di potenza (in contenitore TO3P) siglati GT2810. I semiconduttori più piccoli in contenitore TO220 sono quattro Mosfet FQP65N06 e due doppi diodi che rettificano la tensione di uscita dal trasformatore. In alto i componenti SMD che compongono il circuito di segnale dell’ampli.

tenitore alettato di colore nero ed un coperchio superiore in color titanio, in cui ovviamente il metallo leggero non può che essere allumino. Interessante notare le alettature sagomate a T e dalla particolare finitura porosa che svolge brillantemente due funzioni: evitare bordi taglienti ed aumentare l’efficienza della dissipazione termica. Le alettature si protendono su tre lati, lasciando il quarto libero per le connessioni e i controlli. Il pannello superiore è sagomato in modo da fare spazio ad una ventola termocontrollata per l’aerazione delle circuitazioni interne, e inoltre si ripiega sul retro a formare il pannello dei comandi. Qui troviamo, nel bel mezzo, un connettore a tre morsetti, due dei quali decisamente consistenti, per i cavi di alimentazione ed il consenso di accensione remota. La mor-

SMD anche il circuito driver del convertitore DC/DC; il TL494 viene usato solo come generatore dei due segnali ad onda quadra sfasati tra loro per pilotare i Mosfet di potenza, alla frequenza di 36 kHz.

settiera, dai contatti dorati serrati con grani a brugola, accetta cavi di considerevole sezione, fino a 35 mm² per i poli + e -, con capicorda spellati per una lunghezza di circa 10 mm. Ai fianchi del connettore di alimentazione sono presenti due fusibili a lama da 50 ampère; proseguendo a destra e a sinistra in modo simmetrico troviamo gli innesti per i moduli capacitivi opzionali FPS High-Cap, e a seguire le prese RCA per il segnale d’ingresso, ovviamente dorate anch’esse. Infine, le morsettiere a grani per i cavi degli altoparlanti. Sullo stesso pannello sono inoltre collocate tutte le regolazioni. A sinistra è locato il trimmer per il gain ed il tasto “Direct Mode” per escludere il crossover. Nella parte opposta, cioè a destra, vi sono le regolazioni relative al crossover a due vie ed il bass

L’FPS remote control ritratto in foto consente di enfatizzare o attenuare di 9 dB il segnale di tutta la banda audio, in quanto interviene direttamente sul gain dell’amplificazione d’ingresso. In più è dotato del sempre utile tasto muting.

L’ascolto

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er questa sessione di ascolto decido di partire con il solo finale escludendo per il momento il filtro crossover interno e i due dispositivi opzionali FPS High-Cap che servono ad aumentare la riserva energetica a disposizione degli stadi finali. L’impressione più immediata è di un ampli dalla timbrica neutra, dalla risposta in frequenza molto estesa e con tanta potenza a disposizione. In altri termini, si capisce subito che si tratta di un amplificatore di qualità musicale superiore. Infatti una verifica significativa viene fuori dall’inevitabile confronto con il finale Pioneer A900 che era già montato nella mia auto e che, per questo ascolto, è stato sostituito dal Focal. In questo modo ho potuto mettere a confronto il suono di due ampli finali che basano lo stadio di potenza su transistori finali di differente concezione. Ciò che appare evidente è la grande velocità dei transienti, o se preferite il grande controllo che impone nella guida del sistema di altoparlanti che appare molto più smorzato e con transienti più netti e stagliati.

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La potenza a disposizione non manca certo, ma fate attenzione a realizzare un circuito di alimentazione capace di mettere a disposizione del finale Focal molti ampère, visto che ho letto picchi superiori ai 40 ampère in un ascolto a volume sostenuto ma non ancora elevato. Forse è per questo che sono state previste due sezioni di energia supplementare in modo da sfruttare al massimo le peculiarità del finale per trasferire sugli altoparlanti tutta la corrente di cui hanno bisogno. Collegando al finale i due box, aumenta e di molto la spinta sul basso, che viene riprodotto con maggiore dettaglio e fermezza, fornendo una prestazione che poche volte mi era capitato di ascoltare. Una prestazione generale che pone questo Focal nell’Olimpo dei finali più esoterici, per le caratteristiche sonore espresse che trovano pochi eguali e con un’autorevolezza da primo della classe.

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Accademia dell’audio boost con controllo a distanza. Asportando il pannello superiore si accede all’interno, dove troviamo una grande scheda di circuito stampa-

to più altre due piccole, relativa al circuito per il controllo della sensibilità d’ingresso la prima e l’altra dedicata ai filtri crossover. Gli stadi di potenza e di alimentazione dei due canali sono simmetricamente ripartiti a destra e a sinistra della ventola. I circuiti

di segnale e della sezione driver del survoltore sono realizzati con componenti elettronici a montaggio superficiale. L’ingegnerizzazione di questa elettronica è notevole perché la distribuzione dei componenti è ottenuta in modo razionale e ordi-

Analisi circuitale

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nalizziamo l’FPS 2300RX nei circuiti con l’aiuto degli schemi 1 e 2 che ritraggono rispettivamente parte dell’alimentatore ed uno dei due canali audio dell’apparecchio. Dunque iniziamo ad osservare il circuito dello schema 1, in cui è rappresentato parte del survoltore senza la sezione di pilotaggio dei Mosfet. Nella parte mancante vi è collocato l’integrato TL 494 che genera i due segnali ad onda quadra sfasati di 180° per il pilotaggio delle due bancate di FQP65N06. La frequenza di commutazione è fissata a 36 kHz dove il TL 494 non interviene sul valore del Duty/Cycle perché non è implementato nel circuito l’anello di regolazione che ne modificherebbe il valore in funzione dell’assorbimento dei finali, ovvero non avviene una modulazione PWM e ne consegue un’alimentazione non stabilizzata, dove il valore del Duty/Cycle è fissato al 50% da progetto. Tre FQP65N06 in parallelo per due sezioni dedicate ai rispettivi primari del trasformatore toroidale, che è realizzato su un nucleo di generose dimensioni ed avvolto sia nei primari, sia nei secondari, con cavi di tipo multifilare per minimizzare le perdite. Gli FQP65N06 sono dispositivi con caratteristiche elettriche

robuste, difatti gestiscono 65 A continui di Id e sopportano una Vds di 60 V, però come tutti i Mosfet di grande potenza hanno una capacità Gate/Source non proprio trascurabile; quindi, per ovviare a questo parametro, che altrimenti sarebbe un carico gravoso per le uscite del TL494 tale da compromettere la regolarità dell’onda quadra di pilotaggio, gli ingressi dei Mosfet nel circuito sono bufferizzati da due coppie di BJT complementari (2N4401 e 2N4403). Andando oltre, è visibile nello schema la presenza di una rete RC collegata tra i capi d’inizio e fine di ciascun avvolgimento primario. Questa rete è utilizzata per la riduzione delle sovraelongazioni della tensione di pilotaggio, dovute alla commutazione dei dispositivi di potenza sul carico induttivo rappresentato dagli avvolgimenti del trasformatore elevatore. Questa accortezza è necessaria dato che i Mosfet possono tollerare soltanto 60 V di VDS e senza tali reti RC si potrebbe superare questo valore portandoli rapidamente alla rottura. Anche all’uscita dei secondari è presente una rete RC che svolge, per lo stesso motivo, una protezione sui diodi ultra fast. Questi diodi sono gli F12C20A ed F12C20C, riconoscibili sul circuito, e rettificano la tensione all’uscita del trasformatore, la quale viene successivamente livellata da

Schema 1

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Accademia dell’audio nato, compattando al massimo il volume dell’ampli. Senza lesinare, ovviamente, nel dimensionamento di quei componenti come i toroidi, i condensatori di livellamento e gli stessi IGBT finali, il cui ingombro è correttamente rilevante.

La componentistica è di alta qualità, gli avvolgimenti dei trasformatori sono stati curati nei dettagli con l’impiego di cavi multifilari; inoltre le piste ad alta corrente del circuito stampato sono rinforzate con barrette di rame dorate.

quattro condensatori da 3.300 µF 50 V, per ottenere la tensione duale di ±36,9 V con 14,4 V di batteria. Dai ±36,9 V viene derivata l’alimentazione a ±15 V tramite due regolatori di tensione 7815 e 7915 per il funzionamento degli operazionali del filtro crossover e per alimentare la sezione di preamplificazione. Notiamo inoltre che la massa di segnale e quella di batteria sono separate attraverso un resistore da 1 kohm in parallelo ad un condensatore da 0,1 µF. Proseguendo l’analisi circuitale, osserviamo ora lo schema 2 relativo al canale audio. Gli stadi che compongono il finale sono quattro. Il primo è costituito da un amplificatore differenziale a BJT (Q36 e Q27); questo viene polarizzato da un generatore di corrente costante definito da Q53, la cui base è collegata ad un circuito che consente di regolare la sua Ic tramite il trimmer VR2. Ciascun ramo di questo primo differenziale pilota in cascata un altro stadio differenziale ottenuto sempre da una coppia di BJT di tipo pnp, cioè i transistor Q29 e Q30. Mentre il primo è necessario per preamplificare il segnale audio ed applicargli la controreazione, il secondo ha il compito di guadagnare in tensione lo stadio seguente e provvede a fornire la corrente necessaria per pilotare gli altoparlanti. Una prima considerazione sullo schema che stiamo osservando è legata alla mancanza di un carico cascode in en-

FPS High-Cap Si tratta di moduli aggiuntivi esterni, non forniti con l’amplificatore nella confezione, ma venduti separatamente co-

trambi i differenziali, la seconda è che per variare la corrente di bias dei finali bisogna agire su VR2. Il suo valore cambia la corrente che percorre i due rami del primo differenziale ed induce un cambiamento anche della corrente nei due rami del secondo differenziale, con la conseguenza di modificare le tensioni sui resistori R158 e R186, quindi sulle Vge degli IGBT, spostandone la conduzione in condizioni statiche. Lo stadio finale di questo apparecchio è connesso in una struttura push-pull ottenuta con dispositivi di potenza non complementari. Difatti gli IGBT GT2810 sono tutti del tipo a canale N. In questo modo ogni quartetto di IGBT risulta connesso a emettitore comune. Il pilotaggio degli IGBT avviene con l’aiuto di buffer interposti tra lo stadio che guadagna in tensione e il parallelo dei Gate relativi alle due bancate di semiconduttori di potenza. Da notare la totale mancanza di un circuito addetto alla compensazione della corrente di bias dei finali in funzione della loro variazione di temperatura, mentre il guadagno ad anello chiuso dell’intero amplificatore è pari a 14,3. Inoltre osserviamo la presenza di protezioni in pura corrente sui finali e un circuito che impedisce la saturazione, intervenendo sul taglio del segnale d’ingresso con il risultato di un clipping più dolce. Sicuramente un progetto inusuale per un finale car tale da essere definito esoterico.

R. Montecchia

Schema 2

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vo della capacità di livellamento conferendo una maggiore stabilità allo stadio alimentatore. L’FPS 2300RX accetta fino a due unità aggiuntive, una per ciascun canale.

Aggiustiamo il taglio e la sensibilità Il circuito del crossover elettronico regolabile. Vengono utilizzati due operazionali doppi tipo 5532.

me accessori opzionali. Ogni modulo si presenta come uno scatolotto rettangolare e contiene al suo interno una scheda con quattro condensatori elettrolitici del valore di 3.300 μF e tensione di lavoro nominale di 64 volt. Il collegamento all’amplificatore avviene tramite un cavo terminato con un connettore multipolare da inserire nelle prese dedicate. Il modulo, una volta collegato, va ad aumentare il valore complessi-

La presenza dei filtri passa-alto e passabasso, regolabili separatamente, conferisce a questo apparecchio una notevole versatilità. Vediamo in dettaglio le configurazioni che è possibile adottare e le relative regolazioni. Un commutatore a tre posizioni permette di selezionare l’intervento dei filtri tra le opzioni passa-alto, passa-basso o passa-banda, unendo la funzionalità di entrambi. Le regolazioni, invece, si effettuano tramite due trimmer che consentono di variare le frequenze di taglio nell’intervallo tra 50 e 500 Hz. Inoltre è possibile ampliare il range delle frequenze di taglio

premendo uno o tutti e due i tastini presenti accanto ai due trimmer; in questo modo si moltiplica per dieci il valore della frequenza ottenendo un intervento tra 500 Hz e 5 kHz. Se invece si vuole usare l’FPS 2300RX in fullrange è sufficiente premere un altro tastino presente tra i controlli e l’ampli si mette in modalità diretta bypassando i filtri. La sensibilità d’ingresso è variabile in modo continuo tra 0,2 e 4,8 V e si regola con un solo trimmer per entrambi i canali; disponendo di questo intervallo di sensibilità non si presenteranno problemi per interfacciare ogni tipo di sorgenti in commercio. Un ulteriore mezzo a disposizione è costituito dall’equalizzazione (bass boost) alla frequenza di 95 Hz con una esaltazione compresa tra 0 e +9 dB regolabile in modo continuo. Collegando il modulo di controllo a distanza per il guadagno dell’amplificatore, è possi-

Cos’è l’IGBT?

L’

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) è un dispositivo pilotato da un gate da una parte mentre dall'altra ha un collettore e un emettitore. Viene usato per commutare alte tensioni e alte correnti. Elettricamente ha le caratteristiche dell'unione di un BJT e di un Mosfet, dove (osservare la foto sopra) sulla maglia di uscita c’è un BJT e su quella di ingresso un Mosfet T. Ciò si traduce in una bassa potenza di pilotaggio con alte correnti di uscita. È quindi un dispositivo di potenza adatto a trattare correnti elevate abbinate al pregio di un’elevata impedenza di ingresso caratteristica dei transistor MOS; inoltre unisce anche la bassa tensione di saturazione dei transistor a giunzione bipolare (BJT). Il primo brevetto su dispositivi IGBT è del 1980, mentre i primi modelli commercializzati risalgono al 1983. Questi primi esemplari erano piuttosto lenti nella commutazione e soggetti a guastarsi facilmente (distruzione per latchup). Le successive generazioni hanno migliorato molto i parametri di funzionamento ed eliminato tale vulnerabilità. Gli IGBT di oggi commutano con la stessa velocità dei migliori Mosfet, tollerano molto bene i sovraccarichi e non sono più soggetti al latchup. Attualmente hanno assunto grande importanza per tutte le applicazioni di commutazione di potenza in cui sono in gioco alte tensioni e correnti: praticamente tutti gli inverter di recente progettazione sono a IGBT. Componenti chiave nelle automobili elettriche e ibride, in cui sono l'unica soluzione praticabile per avere unità di controllo dei motori di dimensioni ridotte, potenti ed efficienti; un esempio reale la Toyota Prius, che sfrutta un inverter da 50 kW basato su IGBT che controlla due motori/generatori collegati al pacco batterie. Il funzionamento Un transistor IGBT rimane in interdizione finché la tensione fra gate ed emettitore non supera il valore Vg di soglia del di-

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spositivo. In stato di interdizione, tutta la tensione fra collettore ed emettitore è sopportata dalla giunzione P/N- che, in virtù del basso drogaggio della regione di deriva N-, è molto spessa e può tollerare senza problemi tensioni inverse molto alte, tipiche dei tiristori e dei triac, dell'ordine delle centinaia di volt. Quando la tensione del gate aumenta oltre il valore Vg, la giunzione P/N- viene bypassata dal gate e il dispositivo entra in stato di conduzione. Il passaggio di corrente avviene in senso verticale attraverso la regione di deriva; in questa condizione entrano in gioco le regioni N+ e P inferiori che, insieme alla regione di deriva, realizzano il transistor principale di conduzione. La regione N+ inietta portatori di carica nella regione di deriva debolmente drogata, aumentandone la conduttività e migliorando il tempo di commutazione del dispositivo.

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Accademia dell’audio bile un intervento aggiuntivo che si articoli tra l’attenuazione di -9 e l’enfasi di +9 dB. Il controllo a distanza del gain è in dotazione, come in dotazione è anche il cavo di collegamento. In fine questa unità remota è accessoriata con uno switch per l’inserimento/disinserimento della funzione Mute.

Concludendo

Il modulo FPS High-Cap opzionale aumenta le capacità di livellamento e filtraggio a valle del survoltore; per la versione stereo in prova ne occorrono due, perché i survoltori sono distinti per ciascun canale in quanto l’FPS 2300RX è un vero amplificatore dual-mono. Ogni unità dispone di una capacità aggiuntiva di 13.200 µF realizzata da quattro condensatori elettrolitici da 3.300 µF 80 V in parallelo tra loro. Queste unità si innestano rapidamente tramite un connettore posto sul pannello frontale dell’amplificatore.

L’FPS 2300RX è in grado di soddisfare le esigenze di molti appassionati. Certo, il costo richiede un certo impegno, ma le prestazioni si fanno valere e forse l’idea di avere un oggetto così esclusivo ed esoterico come un amplificatore ad IGBT può dominare su tutto e far fare una spesa impegnativa per godere di un ottimo impianto nella propria auto. 

Già al primo colpo d’occhio si comprende che la struttura è “simmetrica”, quindi anche perfettamente dual-mono, dalla disposizione dei due alimentatori con i relativi trasformatori toroidali, nonché dall’alloggiamento speculare dei dispositivi di potenza sui lati opposti del telaio. A dividere le due unità interne la ventola termocontrollata per il raffreddamento interno dell’ampli.

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