DI Box e Trasformatori

Non sempre gli amplificatori per strumenti hanno una uscita DI bilanciata, le tastiere praticamente mai, i computer men che meno, ed oggi vedere un computer, o anche due o tre, su un palco di concerto è oramai normale.
La linea bilanciata è l'unico modo per poter avere un cavo lungo qualche decina di metri con la (quasi) certezza di non captare disturbi di vario genere.
In questi casi avere sotto mano una o più DI Box significa aver risolto il problema.

La DI Box è semplicemente una “scatola nera” che ha un ingresso sbilanciato con connettore jack ed una uscita bilanciata con connettore XLR: un brevissimo cavo standard per strumenti, un cavetto unipolare da 50 o 75 cm con due jack da 1/4” (6,35 mm) ai due capi, per “entrare”, un normale cavo bilanciato per microfono per “uscire”.

Come è fatta una DI Box, dipende dall'utilizzo che se ne deve fare, cioè da cosa si deve connettere alla console, in quanto è fondamentale adattare sia i livelli di segnale che le impedenze.
Lo standard per le console, sostanzialmente rispettato nella totalità dei casi, è:

ingresso microfono:               circa 2,5 kohm, max 10 dBu,   bilanciato
ingresso linea:                        circa 10 kohm, max 22 dBu, bilanciato

quindi la DI Box è di tipo diverso a seconda che si debba connettere una sorgente a bassa impedenza di uscita oppure una sorgente ad alta impedenza di uscita.

Se si deve connettere un amplificatore non provvisto di uscita DI si può prendere l'uscita verso l'altoparlante, attenuarla opportunamente, trasformare il segnale attenuato in segnale bilanciato, ed è tutto.

Se si deve connettere l'uscita linea sbilanciata di una tastiera o di un amplificatore, non serve l'attenuazione e basta bilanciare il segnale.

Se si vuole connettere una chitarra elettrica o un basso, con pick up passivi, cioè non amplificati, la DI Box deve essere di tipo attivo, in quanto i pick up passivi richiedono necessariamente una impedenza di carico dell'ordine del Megaohm.
La DI Box attiva ha al suo interno un amplificatore con elevata impedenza di ingresso e bassa impedenza di uscita.

Ma la questione più importante in una DI Box è il modo in cui si ottiene il segnale bilanciato.
Un segnale sbilanciato può essere trasformato in bilanciato in due modi: con un trasformatore o elettronicamente.

Le due soluzioni sono concettualmente e praticamente molto diverse: il bilanciamento elettronico si ottiene semplicemente con due amplificatori operazionali e una manciata di resistenze e condensatori, il circuito è semplice ed economico, mentre il trasformatore è un componente teoricamente semplice ma tecnologicamente non facile da realizzare, quindi di costo elevato.
Due operazionali significa sostanzialmente un NE5532, nello schema che ho proposto nel Li'l Amp; in quello schema il “bilanciatore” è preceduto da un TL082, circuito integrato con ingresso a J-Fet e quindi impedenza di ingresso elevatissima: di fatto questo è lo schema di una DI Box attiva cui connettere direttamente la chitarra o il basso.
Costo totale 5 €.
Un trasformatore per uso audio di caratteristiche buone costa molto di più, e se le caratteristiche non sono buone fa più danno che vantaggio.
Il trasformatore usato in questa DI Box costa circa 50 €, è il modello definito “low cost” di una serie di trasformatori di caratteristiche tecniche analoghe, ma prestazioni crescenti con il prezzo, fino ad arrivare a circa 150 € per il modello top (parlo ovviamente di prezzi per un esemplare singolo, inclusa IVA).

Nel post sul Li'l Amp promettevo una analisi di trasformatori audio di classe diversa, questa realizzazione usa un trasformatore di alta classe ma mi è servita per chiarirmi le idee su trasformatori più abbordabili.

Fra 5 e 50 € la differenza non è poca cosa, quindi bisogna capire perché e quando sia giustificata.

Le linee bilanciate

Ripropongo qui un breve riepilogo del funzionamento delle linee bilanciate, già proposto nel post  “Amplificatore di Linea Push Pull”, con qualche precisazione in più.
Una trattazione completa si può trovare nel documento tecnico AN-002 reperibile sul sito di Jensen Transformers.

Che cosa significa “linea bilanciata”? 

Lo scopo della linea bilanciata è quello di consentire l'uso di cavi lunghi in ambienti disturbati (cioè in cui vi siano campi elettromagnetici dispersi, tipico il caso dei palchi dei concerti rock e pop, non di classica ovviamente) senza captare rumore dai suddetti campi.

Ai capi di un conduttore immerso in un campo elettromagnetico variabile si forma una tensione indotta dalla variazione del campo elettromagnetico (legge di Faraday).

Fig. 1  Linea sbilanciata (in alto) e bilanciata (in basso)

Una linea sbilanciata è costituita da un conduttore che è un normale cavo schermato con la calza connessa a massa; in questo caso il conduttore centrale (il “caldo”), che è in certa misura schermato dalla calza, è comunque soggetto ai flussi magnetici, quindi ai suoi capi si forma comunque una Forza Elettromotrice, en come ai capi dello schermo (Fig.01, in alto).
Ma all'ingresso del dispositivo ricevente, tipicamente la console o un amplificatore, lo schermo è connesso a massa, quindi vede verso massa una impedenza pari a zero, mentre il conduttore caldo vede verso massa l'impedenza di ingresso della console o dell'amplificatore  Zi.
Analogamente nel circuito sorgente vediamo che il conduttore di uscita vede verso massa una impedenza pari all'impedenza di uscita dell'amplificatore Zo (che per una uscita di linea è tipicamente dell'ordine di 100 ohm o più) mentre la calza del cavo schermato è connessa a massa e quindi la calza vede verso massa una impedenza nulla (o quasi nulla).
Quindi il conduttore “caldo” vede verso massa una impedenza pari al parallelo della impedenza di uscita del “trasmettitore” e della impedenza di ingresso del “ricevitore”, mentre la calza vede verso massa una impedenza praticamente nulla; quindi il conduttore caldo ha una impedenza verso massa significativa, ed ai capi di questa impedenza il segnale di disturbo entra nel sistema.

Una linea bilanciata è costituita da due connettori di segnale affiancati circondati da uno schermo: i due connettori di segnale entrano nei due ingressi ( + e - ) dell'amplificatore, che amplificano i due segnali con fase opposta (Fig.01 in basso).
I flussi magnetici dispersi hanno sui due conduttori lo stesso effetto, in quanto i due conduttori corrono nella linea a stretto contatto fra loro, quindi la FEM indotta è identica.

In questo caso abbiamo due conduttori isolati da massa, che vedono verso massa dalla parte del “trasmettitore“ l'impedenza di uscita del dispositivo, dalla parte del “ricevitore” l'impedenza di ingresso dell'amplificatore.
Anche in questo caso ciascuno dei due conduttori vede verso massa il parallelo dell'impedenza di uscita del “trasmettitore” e dell'impedenza di ingresso del “ricevitore”.
In quali condizioni il segnale di disturbo, che è presente con la stessa intensità e la stessa fase sui due capi dell'ingresso, viene annullato dall'amplificazione in opposizione di fase dell'amplificatore di ingresso? 

Solo quando i due conduttori vedono una impedenza rigorosamente uguale verso massa, perché solo in questo caso il flusso magnetico uguale sui due cavi si trasforma in segnali con la stessa ampiezza in Volt (tutti gli amplificatori a livello di segnale sono amplificatori di tensione).

Quindi una linea è bilanciata non quando il segnale utile si presenta sotto forma di due segnali in opposizione di fase: questo è del tutto irrilevante, dato che lo scopo del bilanciamento è abbattere il rumore e non trattare il segnale utile, per il quale in assenza di rumore una linea con un solo conduttore caldo è più che adeguato.
La linea è bilanciata quando il segnale di disturbo, che è comune ai due conduttori, vede impedenze perfettamente uguali verso massa.

Uno sbilanciamento delle impedenze verso massa pari all'1% crea una reiezione del rumore non superiore a 40 dB, uno sbilanciamento pari allo 0,1% crea una reiezione del rumore non superiore a 60 dB.

La linea di Fig. 2 è una linea bilanciata, anche se il segnale proviene da una sorgente sbilanciata: il bilanciamento viene ottenuto mediante la resistenza R, posta uguale al modulo di Zo; questa è in effetti una tecnica usata abbastanza comunemente per bilanciare una linea.
Quando le impedenze verso massa sono determinate da componenti elettronici quali resistenze e semiconduttori uno sbilanciamento complessivo dell'1% è già un buon risultato.
Quando i dispositivi trasmittenti e riceventi sono trasformatori realizzati in modo acconcio, il bilanciamento verso massa è assicurato automaticamente, in quanto non c'è collegamento elettrico fra i conduttori del segnale e la massa.
In questo caso quindi la reiezione del rumore può arrivare a superare i 90 dB, in quanto l'impedenza intrinseca verso massa è la resistenza di isolamento del trasformatore, che è intrinsecamente uguale sui due capi (a meno di difetti di costruzione).

Il trasformatore deve però comportarsi in modo impeccabile dal punto di vista audio, e qui può cascare l'asino, in quanto i trasformatori si basano sulle variazioni di flusso magnetico in materiali magnetici, che non sono lineari quindi possono introdurre distorsione; inoltre i trasformatori hanno anche limitazioni di banda passante, se non realizzati con opportuni accorgimenti.
È perfettamente inutile avere un rapporto segnale/rumore di 90 dB se ciò si ottiene introducendo una distorsione armonica dell'1% con una banda passante  100 Hz – 10 kHz.

La DI Box

Per  i motivi spiegati sopra la scelta per questa DI Box passiva è caduta sul trasformatore, e la prima scelta del trasformatore è caduta su un nome al top nel campo dei trasformatori audio:  Lundahl.
In altre realizzazioni ho usato trasformatori Sowter, che stanno a mio parere sullo stesso livello qualitativo, cioè professionale elevatissimo; ho semplicemente voluto provare una alternativa. Un'altra alternativa è un nome altrettanto noto a livello professionale: Jensen Transformer.

Il modello scelto è il trasformatore “general purpose” a basso costo LL1591: è a basso costo in quanto non è dotato di schermatura in mu-metal come il fratello LL1527; essendo impiegato in un circuito totalmente passivo inserito in un box metallico ho ritenuto che le sue prestazioni fossero adeguate; è ovviamente una opinione discutibile, per massima sicurezza si potrebbe scegliere il LL1527XL, dotato di schermatura e con una accettazione (massimo segnale in ingresso per la distorsione di targa) nettamente più alta, ma costo quasi triplo.

Fig. 03  : Schema elettrico della DI Box

Lo schema elettrico è in Fig. 3: il connettore di ingresso è un jack TRS, quindi può accettare in ingresso sia linee bilanciate che linee sbilanciate: quando si inserisce un jack TS (jack mono) lo schermo dello spinotto connette a massa il conduttore “freddo” dell'ingresso bilanciato.
È poi presente un attenuatore variabile, inseribile con uno switch: serve per connettere la DI Box direttamente ai capi di un altoparlante, regolando l'ampiezza del segnale che viene inviato alla console.
Questa è una pratica comune quando l'amplificatore della chitarra o del basso non ha l'uscita DI, ma è spesso usata anche quando l'uscita DI c'è.
Questo perché l'uscita DI, quando c'è, è generalmente connessa a qualche punto del preamplificatore, quindi il segnale inviato alla console non risente della distorsione dello stadio finale, che se è a valvole dà un contributo importante al suono: i possessori di amplificatori Marshall Lead (modelli vari) piuttosto che Mesa, Trace, ecc sanno cosa intendo.

All'uscita troviamo un commutatore che connette in serie o in parallelo i due avvolgimenti del secondario: serve a ridurre di un fattore 2 il livelo di uscita e soprattutto di un fattore 4 l'impedenza di uscita, importante se la linea è veramente lunga.

Per concludere il commutatore per l'inversione di fase ed il connettore di uscita, un XLR standard.

Come al solito è presente lo switch per l'eliminazione del ground loop, praticamente indispensabile: la situazione su un palco e le condizioni dell'impianto elettrico, spesso precario, rendono impossibile prevedere se il ronzio da ground loop sia inferiore con il circuito aperto o chiuso.
In ogni caso un condensatore da 10 nF ed una resistenza da 47 ohm mettono a terra i disturbi ad alta frequenza (ad esempio le interferenze dei trasmettitori radio dei microfoni e degli strumenti a corde).

Il circuito, essendo un prototipo, è realizzato su scheda millefori passo 2,54 (1/10”): lo schema è così semplice che non valeva la pena realizzare uno stampato.

La realizzazione nelle Figure 4, 5, 6.

Fig. 4: Pannello posteriore

Fig. 5: Pannello anteriore

Fig. 6: il circuito su basetta millefori

Quali Trasformatori?

Ho approfittato di questa realizzazione per provare trasformatori di classe diversa, come avevo preannunciato nel post sul Li'l Amp.
Tutti quelli che hanno visto gli altri Progetti di questo sito, nella sezione "Audio di Alta Qualità", sanno che io considero il Trasformatore, purché di qualità adeguata al progetto, il componente più adatto ad un sacco di funzioni.

Ho quindi dedicato un po' di tempo ad un breve test, che non ha alcuna pretesa di essere esaustivo, su alcuni trasformatori audio, di classi diverse, che trovate qui.