mercoledì 15 febbraio 2012

Marshall 5010 - Controllo toni

Fig.1: Schema del circuito di controllo-toni
Continuo qui la chiacchierata sullo schema del 5010 iniziata con il preamplificatore dando un'occhiata alla parte di controllo-toni. Lo schema, piuttosto semplice, è indicato nella Fig.1 ed è un buon esempio di come si possano ottenere discrete prestazioni anche con pochissimi elementi, se il circuito è ben progettato. I valori dei componenti sono:
  • C9 = 4.7 nF, C10 = 220 pF, C11 = C12 = 47 nF
  • R11 = 68 kΩ, R14 = 4.7 kΩ
  • VR3 = 220 kΩ
  • VR4 = 22 kΩ
  • VR5 = 1 MΩ (log)
Anche se lo schema è molto semplice, una soluzione analitica restituisce espressioni piuttosto complicate; cerchiamo quindi di capire come funziona la rete in modo approssimato, per poi verificare i risultati con i calcoli corretti.
Alti
Il regolatore degli alti è costituito dal ramo C10-VR3, che filtra passa-alto il segnale di ingresso. Per determinare l’uscita, però, dobbiamo prima valutare la tensione a valle del potenziometro VR3, che chiameremo V5. Per questo, consideriamo il circuito semplificato per alte frequenze, ottenuto cortocircuitando i condensatori di valore più elevato (C11 e C12) ed eliminando il ramo C10-VR3, ad alta impedenza: esso risulta costituito da C9 in parallelo a x4 VR4 (trascuriamo VR5 perché di valore elevato e indichiamo con la variabile x l'effetto del potenziometro). Da qui è facile vedere che il trasferimento su V5 è piccolo: nel caso di x4 = 1 si ha V5 ≈ Vi/4, ma il trasferimento crolla dopo la frequenza corrispondente al polo di C9, ovvero
Se diminuiamo x4, d’altra parte, la frequenza del polo aumenta, ma il trasferimento in continua diminuisce ed il risultato non cambia. Ciò significa che, in prima approssimazione, V5 si può considerare come cortocircuitato a massa. Il circuito semplificato per il calcolo del trasferimento degli alti diventa quindi quello indicato in Fig.2, con il filtro C10-VR3 connesso tra ingresso e massa, sicché il risultato finale è
Fig.2: schema semplificato per il calcolo degli alti
Fig.3: Trasferimento approssimato per gli alti
indicato in Fig.3 per x3 = 0.1, 0.5, 1. Il polo del trasferimento è fissato a
indipendentemente dal valore di x3 e, in prima approssimazione, da quello degli altri componenti; la regolazione incide solo sul guadagno ad alte frequenze. Per frequenze inferiori ad f9, poi, l’approssimazione può cadere in difetto; siamo nell'intervallo di frequenze controllato dai medi.
Medi
Il regolatore delle medie frequenze è il potenziometro VR4. Per capire come lavora sul segnale, spostiamoci a frequenze minori di f9: ora i condensatori C9 e C10 si comportano come circuiti aperti, e l’uscita è uguale alla tensione V5. Inoltre, la resistenza x5 VR5 è molto maggiore di x4 VR4 (tranne che per i casi-limite in cui x5 < 0.022 x4, cioè quando x5 è praticamente nullo) e possiamo considerarla come un circuito aperto; su C11 non c’è caduta (o, se preferite, il polo relativo è a bassa frequenza) e la rete diventa la semplice serie di R11, C12 e x4 VR4, come indicato in Fig.4.
Fig.4: Schema semplificato per il calcolo dei medi.
Fig.5: Trasferimento approssimato dei medi
La tensione di uscita è data da:
cioè una rete polo-zero il cui guadagno a frequenze maggiori delle singolarità introdotte da C12 è dato dalla partizione resistiva tra x4 VR4 e R11. Il trasferimento sopra indicato è riportato in Fig.5 per x4 = 0.1; 0.5; 1. Stavolta la regolazione cambia sì il guadagno alle medie frequenze, ma modifica anche il limite inferiore della banda. Val la pena notare come, a differenza di quanto avviene per le altre bande di frequenza, i medi sono sempre attenuati, e anche per x4 = 1 la risposta in frequenza non raggiunge mai gli zero dB. Inoltre, la regolazione non ha effetto sulle basse frequenze (la posizione del polo non dipende fortemente da x4.
Bassi
Sono regolati dal potenziometro VR5. Il comportamento alle basse frequenze può essere trattato analogamente a quanto fatto per le medie: iniziamo quindi ad eliminare i condensatori C9 e C10, che si comportano come circuiti aperti, e consideriamo il ramo R11, C11, VR5 (trascuriamo anche R14, che entra in gioco solo per valori molto piccoli di x5, e consideriamo per il momento C12 come circuito aperto): la rete è analoga alla precedente, ma stavolta l’uscita è prelevata a valle del condensatore, comportandosi da filtro passa-alto (si veda lo schema in Fig.6). Il trasferimento diventa quindi:

Fig. 6: Schema semplificato per il calcolo dei bassi
Fig.7: Trasferimento approssimato dei bassi
riportato in Fig.7 per x5 = 0.1; 0.5; 1. Anche in questo caso il potenziometro VR5 modifica la costante di tempo, e non solo il guadagno del filtro, che ha comunque una variazione molto più ridotta rispetto ai casi precedenti. Si può poi notare che l’effetto di VR5 sul trasferimento è assai non-lineare: piccolo finché VR5 ≫ R11 e più sensibile poi; credo che sia per questo motivo che il potenziometro VR5 è di tipo logaritmico, ovvero con una variazione della resistenza non lineare con la posizione del cursore; si introduce così una prima compensazione della non-linearità, “raddrizzando” in parte la dipendenza da x5. É infine doveroso ricordare che questa trattazione, così come la precedente, trascura le interazioni tra i due condensatori: le posizioni reali dei poli e degli zeri sono quindi lievemente differenti rispetto a quanto calcolato.
Fig.8: Trasferimento corretto per x3 = 0.1; 0.5; 1 e x4 = x5 = 0.5
(tonalità di azzurro) con relative approssimazioni. Le curve per
gli alti sono le stesse della Fig.3.

Fig.9: Trasferimento corretto per x4 = 0.1; 0.5; 1 e x3 = x5 = 0.5
(tonalità di azzurro) con relative approssimazioni. Le curve per
gli alti sono le stesse della Fig.5.

Fig.10: Trasferimento corretto per x5 = 0.1; 0.5: 1 e x3 = x4 = 0.5
(tonalità di azzurro) con relative approssimazioni. Le curve per
gli alti sono le stesse della Fig.7
Andamento complessivo
Il motivo dei calcoli riportati fin qui, con tutte le loro approssimazioni, era di dare (o tentare di dare) un’idea abbastanza corretta del perché il circuito funziona. Per finire questa parte, confrontiamo i risultati che si ottengono “componendo” i trasferimenti nelle varie regioni di funzionamento con quanto risulta dalla soluzione completa della rete. La Fig.8 mostra il risultato della soluzione analitica della rete in esame per x4 = x5 = 0.5 e x3 che assume i tre valori fin qui considerati: 0.1; 0.5; 1 (rispettivamente, le curve celeste-azzurro-blu). Sono anche riportate le approssimazioni fin qui calcolate: si vede che il comportamento complessivo segue abbastanza fedelmente l’inviluppo delle caratteristiche nelle tre regioni. La stessa conclusione si può trarre dalle Figg.9 e 10, dove il confronto è condotto modificando, rispettivamente, x4 e x5, tenendo gli altri parametri al valore 0.5. Si noti la differenza nella posizione dello zero dei medi (così come dei poli, anche se meno evidenti) dovuta all'interazione tra C11 e C12, e come il circuito tenda ad attenuare le medie frequenze rispetto alle basse ed alle alte: questo mi pare essere il motivo che spiega l’andamento opposto osservato nello stadio di preamplificazione.

Prossimamente andremo a considerare lo stadio di "presence".

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