053-059 Focal FPS2300rx ACCADEMIA ACS196_ACS mastro 11/10/10 12.41 Pagina 53
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.
F
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
ACS AudioCarStereo n. 196
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
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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
P
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.
R. Pallocchia
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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
A
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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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-
58
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.
R. Montecchia
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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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