Alles wat je moet weten over versterkers

Plaats hier al uw vragen over versterkers
Gebruikersavatar
Kilroy
Site Admin
Berichten: 19022
Lid geworden op: 15 sep 2012, 18:26
Locatie: Asper, België
Contacteer:

Alles wat je moet weten over versterkers

Bericht door Kilroy »

Een versterker is veel meer dan een kastje dat je luidsprekers luid laat spreken. Verschillende varianten hebben verschillende eigenschappen, en allen hebben hun eigen invloed op de weergave. Het is daarom een praktisch begin om op de hoogte te zijn van de soorten versterkers die er in de markt zijn, alvorens je wil weten welk merk of model nou eigenlijk het beste bij je wensen aansluit.
Afbeelding
Dat gezegd hebbend is een eenduidig overzicht van al die soorten en maten geen gemakkelijke opgave. Los van voortdurende ontwikkelingen in de wereld van digitale versterking, en de diverse merken die met hun eigen variant aan de slag gaan – zoals Arcam met zijn Klasse-G oplossing –, is er doorheen de hifi behoorlijk wat onderscheid te maken. Transistoren, FET’s, analoog, digitaal, you name it.

Ook is er een imposante lijst knappe koppen die hun stempel zodanig op de techniek gedrukt hebben, dat het niet zou misstaan om ze allen individueel te behandelen. Nelson Pass, bijvoorbeeld. Of John Curl. Mark Levinson, Bill Johnson, Julian Vereker. Namen en merken bij wie kwaliteit doorgaans geen onderwerp is – die is gegarandeerd. En wiens kennis van ontwerpen en techniek vaak aan de basis ligt voor de modellen van vele andere partijen. Maar ongeacht al die ideeën en uitwerkingen is het natuurlijk het eindresultaat wat telt – de muziek. Dat gegeven maakt dat de keuze altijd subjectief zal zijn, en afhangt van je smaak en voorkeur.


Variatie

Typen versterkers verschillen namelijk onderling zoals moderne televisietoestellen dat ook doen. LED, LCD en plasma geven dezelfde beelden weer, maar hebben zo hun eigen manier van werken – en hun eigen resultaten. Het ene model werkt met meer licht dan het andere, of kan juist met zwarttinten beter overweg. Een derde model is erop gericht zoveel mogelijk schermoppervlak te leveren voor je geld, waar een vierde meer waarde hecht aan energiebesparingen. Vul de lijst maar aan; ook in het domein van audioversterkers vind je verschillende varianten, met ieder zijn eigen voor- en nadelen. En of je nu op zoek bent naar een losse versterker of een geïntegreerd model, het is zinvol die verschillen duidelijk te hebben. Dus laten we als basis een onderscheiding maken tussen versterkerklassen.

Ver·ster·ker (de; m; meervoud: versterkers)
Toestel voor het versterken van geluid.

Ok, dat is wat dun.

Am·pli·fi·er (ăm′plə-fī′ər, noun)
1. One that amplifies, enlarges, or extends;
2a. An electronic device that is used to increase the magnitude of an electrical signal;
2b. A device that is used to increase the magnitude of an information-carrying signal.

Om nog heel even in het Engels door te gaan; een bepaalde school of thought binnen de high-end audio is ervan overtuigd dat het soort eigenlijk niet uitmaakt. Transistor, buizen, klasse A, klasse AB, het gaat maar om één ding: de muziek. Vermogen? Neem voldoende voor de speakers. Opties? Kies gewoon dat wat binnen het budget past, en laat de mogelijkheden aan de fabrikant over. Dat lijkt ons echter net zo dun als de Nederlandse definitie van versterker, dus we lopen graag langs de verschillen.


Even instappen

Om de verschillende typen versterkers en, belangrijker, hun voor- en nadelen goed te kunnen onderscheiden, moeten we natuurlijk beginnen bij een bepaalde basiskennis. Zonder de doorgewinterde hifi-liefhebber voor het hoofd te willen stoten met open deuren of simplicifaties, is een alinea’tje Versterking voor Dummies geen overbodige luxe.

Het leveren van veel vermogen is geen eenvoudige klus voor een versterker. Er is zowel spannings- als stroomversterking nodig om voldoende power aan een luidspreker te kunnen leveren. Luidsprekerboxen hebben immers maar een rendement van enkele procenten, en dat betekent dat voor het produceren van voldoende geluidsdruk in een huiskamer toch zeker enkele watts nodig zijn. Bij concerten en openluchtmanifestaties wordt heel wat meer gevraagd, daar gaat het al gauw om kilowatts. Voor de vermogensversterking in een eindversterker zijn in de voorbije decennia diverse concepten ontwikkeld om met behulp van transistoren een kwalitatief hoogwaardig uitgangssignaal te produceren en/of het rendement van de eindtrap te verbeteren (buizenversterkers laten we in dit verhaal buiten beschouwing, red.). Bij de opzet van de uitgangstrap moet de ontwerper rekening houden met de specifieke eigenschappen van de toegepaste halfgeleiders. Helaas hebben alle halfgeleiders last van niet-lineariteit bij de signaalversterking, wat vooral bij het verwerken van analoge signalen grote problemen geeft. Verder kunnen afhankelijk van de gekozen configuratie nog andere nare bijverschijnselen optreden, zoals de beruchte crossover-vervorming: hakkelig verlopen van de overgang tussen signalen in de eindversterking.
Indeling

Ook de warmteproductie is vooral bij grotere versterkers een punt waarmee rekening moet worden gehouden. Dit kan verstrekkende thermische gevolgen hebben (zoals verloop van de ruststroominstelling en thermische modulatievervorming). Gewoonlijk worden eindversterkers ingedeeld in verschillende klassen die betrekking hebben op de configuratie van het uitgangsgedeelte. Dat bepaalt namelijk in hoge mate de efficiëntie en kwaliteit, omdat hier de eigenlijke vermogensversterking plaats vindt. Er zijn dus aardig wat factoren om in het ontwerp rekening mee te houden.

Het aantal versterkerconfiguraties wordt aangeduid met de letters van het alfabet, waarbij de letter niet meteen iets zegt over de werkingswijze. Ooit begonnen bij, je raadt het al, de letter A...


Klasse-A

We beginnen hier met de meest eenvoudige, maar tevens een van de beste configuraties voor hoogwaardige audioreproductie: de Klasse-A eindtrap. Ruststroom door de transistor is gelijk aan de maximale uitgangswisselstroom – met andere woorden, de ruststroom is constant –, zodat de transistor midden in zijn werkgebied is ingesteld en alleen meer of minder geleidt bij aansturing door een wisselspanning. Het rendement is heel laag, vaak niet meer dan 25 procent bij maximale uitsturing en bij geringe signaalgrootte nog kleiner. Door gebruik te maken van een symmetrische opzet met twee transistoren kan het rendement verbeterd worden, maar ook hiermee is maximaal 50% haalbaar.

Theoretisch biedt deze klasse de meest lineaire (lees: accurate) weergave, met een onmiskenbare signatuur. Daarbovenop ben je verzekerd van een fraai stuk audio-apparatuur. Maar wel één die van een slok energie houdt, met een relatief lage output. En ook aan het prijskaartje herken je dat fraaie…


Klasse-B

Bij de Klasse-B configuratie wordt gebruik gemaakt van twee transistoren die elk precies de helft van de periodetijd geleiden. Ofwel: exact de tegenovergestelde topologie van Klasse-A versterking. In de rustsituatie loopt er helemaal geen stroom door de transistoren. Het rendement van een Klasse-B-eindtrap bedraagt circa 78%, maar het grote nadeel hiervan is de overnamevervorming die ontstaat op de momenten dat de twee transistoren het van elkaar moeten overnemen.

Door de scherpe knik in het onderste deel van de overdrachtscurve zullen de twee periodehelften niet goed op elkaar aansluiten en ontstaat de beruchte crossover-vervorming, een aantasting van de signaalvorm die zeer goed hoorbaar is.


Klasse-AB

Om dat probleem op te lossen, heeft men Klasse A en B gecombineerd tot Klasse AB. Dit is een Klasse-B-configuratie waarbij er een kleine ruststroom loopt, zodat de eindtrap bij geringe vermogens toch in Klasse A staat te werken. Dit wordt bij het merendeel van alle eindversterkers tegenwoordig nog toegepast, in een aantal varianten. Het rendement blijft ongeveer gelijk aan dat van Klasse-B.

Het grote voordeel van deze combinatie is dat de audiokwaliteit werkelijk uitmuntend kan zijn; veel van de beste modellen gebruiken Klasse-AB, temeer omdat een breed spectrum luidsprekers ermee overweg kan. Klasse-AB is tevens kostenefficiënt en vrij zorgeloos waar het complicaties betreft. Verschillen in de budgettaire middenklasse zijn echter minder aanwezig , en de duurzaamheid van de techniek is in gevaar vanwege nieuwe ontwikkelingen (zoals Klasse-D).


Klasse G en H

Ho, wacht even! Zijn we niet een paar klassen vergeten? Jazeker, maar dat is bewust. De klassen C, E en F bestaan ook, maar zijn eigenlijk alleen geschikt voor hoogfrequenttoepassingen, dus dat valt enigszins buiten het kader van een audioverhaal. En de opzet van Klasse-D wijkt zodanig af van A en B dat we daar apart naar moeten kijken. Nu dus eerst G en H, die een belangrijke overeenkomst hebben: bij beiden wordt de voedingsspanning namelijk aangepast aan de grootte van de uitsturing. Bij Klasse-G wordt de voedingsspanning continu meegeregeld met de gewenst grootte van het uitgangssignaal. Met behulp van moderne schakelende voedingen is zo’n `meelopende` voeding betrekkelijk eenvoudig te realiseren, hoewel natuurlijk een goede regeling noodzakelijk is om de voeding snel genoeg te laten reageren op het uitsturingsgedrag van de eindtrap.

Bij Klasse-H gebeurt in principe hetzelfde als bij Klasse-G, alleen wordt hier de voeding niet continu gevarieerd, maar zijn er een aantal voedingsspanningen (meestal twee) waartussen wordt geschakeld. Op deze wijze kan vooral bij grotere vermogens de dissipatie in de eindtrap behoorlijk worden gereduceerd.


Klasse-D

De ‘D’ heeft bij dit versterkerconcept niets te maken met ‘digitaal’, dat is toeval. Het gaat hierbij om een schakelende versterker die met pulsbreedte-modulatie werkt. Het ingangssignaal wordt vergeleken met een driehoek en een comparator schakelt vervolgens de eindtrap naar de positieve of negatieve voedingsspanning. Dit gebeurt met een zeer hoge schakelfrequentie die gewoonlijk 10x of nog hoger is dan de audio-bandbreedte (dus 200 kHz of hoger).

De breedte van de pulsen varieert op deze wijze mee met de grootte van het ingangssignaal. Als nu achter de eindtrap een laagdoorlaatfilter wordt geplaatst, dan wordt het pulsbreedtesignaal geïntegreerd en blijft een analoog signaal over met dezelfde vorm (maar wel versterkt) als het ingangssignaal. Doordat de eindtrap alleen maar hoeft te schakelen, is het rendement zeer hoog – met een apparaat dat zeer zuinig omgaat met warmte en energie, en erg kleine behuisd kan zijn. Er kleven echter ook een aantal nadelen aan deze werkwijze. Het is erg moeilijk om de signaalvorm vrij van vervorming te houden, er is een fors uitgangsfilter noodzakelijk en er moeten drastische maatregelen worden genomen om stoorsignalen naar buiten toe te beperken. Voor een vervormingsarme versterking moet in elk geval een (analoge of digitale) tegenkoppeling worden toegepast. In de verbetering zijn de afgelopen jaren gelukkig de nodige stappen gezet.


Klasse S en T

Het principe van de Klasse-D-versterker is al weer enkele decennia oud, en terwijl ‘de branche’ aan de slag ging met hindernissen zoals ook besproken in dit artikel, hebben diverse fabrikanten variaties op het thema bedacht die ze vaak van een eigen benaming hebben voorzien. Zo heeft Crown de Klasse-I-versterker bedacht, Sony heeft zijn S-master-technologie ontwikkeld en Tripath heeft zijn Klasse-T-versterker ontworpen. Helaas is hiermee de mooie alfabetische volgorde verloren gegaan ten koste van fabrikanten-afkortingen.

Bij de S-master-techniek heeft Sony een aantal technieken gecombineerd om de Klasse-D-opzet geschikt te maken voor huiskamer-hifi-toepassingen. De omzetting van het binnenkomende signaal naar een pulsbreedte-gerelateerd signaal noemt men hier complementary pulse length modulation (C-PLM). Uitgebreide aandacht wordt besteed aan het onderdrukken van jitter. Hiertoe wordt gebruik gemaakt van een extreem nauwkeurig kloksignaal en een circuit (clean data cycle) dat de plaats van de uitgangspulsen indien nodig corrigeert.

Een bijzonderheid bij de Sony-benadering is zeker de volumeregeling. Bij een normale Klasse-D-opzet staat aan de uitgang altijd de volledige blokgolf met een waarde van 50 tot 100 V (top-top). Vooral bij kleinere uitgangssignalen is het heel moeilijk om de restanten van de blokgolf geheel verwijderd te houden uit het gefilterde signaal. Bij de Sony-opzet wordt het volume geregeld door het aanpassen van de voedingsspanning van de eindtrap. Hierdoor gaat geen informatie verloren bij kleine signalen Dit werkt over een bereik van 50 dB.

De firma Tripath heeft een technologie ontwikkeld die naar eigen zeggen de signaalkwaliteit van Klasse-A- en AB-ontwerpen combineert met een hoog rendement van 80 tot 90%. Daartoe maakt men gebruik van een combinatie van analoge en digitale circuits, gecombineerd met digitale algoritmes die het ingangssignaal moduleren met een hoogfrequent schakelpatroon. De door Tripath ontwikkelde algoritmes zijn afgeleiden van adaptieve en voorspellingsalgoritmes die in de telecommunicatie al worden toegepast.

Bij de Tripath-versterker is het grootste deel van de analoge en digitale elektronica ondergebracht in één IC (afhankelijk van het vermogen met of zonder eindtransistoren). Het ingangssignaal wordt eerst gebufferd door een ingangstrap. Vervolgens gaat dit naar het blok Digital Power Processing dat de adaptieve signaalprocessor bevat, een digitale conversie-functie, muteschakeling, overbelastingsbeveiliging en foutdetectie. Via de kwalificatielogica wordt dan de vermogenseindtrap aangestuurd, waar via een uitgangsfilter de luidspreker op wordt Dankzij de speciale algoritmes kan de processor in de Klasse-T-versterker bij de aansturing van de eindtrap rekening houden met de specifieke eigenschappen van de toegepaste vermogenstransistoren. Hierbij wordt gelet op het niet-ideale schakelgedrag, misaanpassing tussen de complementaire uitgangstransistoren, dode-tijd-vervorming en de resterende energie van de oscillator in de audioband.

De schakelfrequentie bij Klasse T wordt voortdurend aangepast in de grootte van het ingangssignaal. Bij lage ingangsniveaus ligt ze vrij hoog, op circa 1,2 MHz. Dit komt de signaalkwaliteit ten goede. Bij stijgend ingangsniveau daalt de frequentie geleidelijk om het rendement te verhogen. Bij volle uitsturing ligt de schakelfrequentie uiteindelijk bij circa 200 kHz. Daarnaast wordt ook nog een soort noise-shaping toegepast op de toppen van het uitgangssignaal om de signaalvorm te verbeteren. Al deze maatregelen zorgen er samen voor dat de Klasse-T-versterker een klankindruk levert die doet denken aan audiofiele analoge versterkers.


De status van Klasse-D

Omdat het nog altijd een vrij dure techniek is, zal je niet snel een volledig digitale versterker in de budgetklasse tegenkomen. Toch dalen de prijzen langzaam maar gestaag, dus wie weet wat de toekomst nog voor de muziekliefhebber in petto heeft. We hebben tegenwoordig steeds meer digitale bronnen in huis, dus versterkers die daar op zijn toegerust groeien in populariteit. Over de geluidskwaliteit hoeven ook al lang geen twijfels meer te bestaan. Digitale versterkers klinken, met of zonder digitale aanpassing aan de ruimte-akoestiek, zeer goed. Het maakt namelijk niet uit hoe je versterkt, als je het maar goed doet. Wat dat betreft kunnen de huidige digitale versterkers zich meten met het beste dat op de markt verkrijgbaar is, en zijn ze in sommige gevallen zelfs de maatstaf.

Wat al het bovenstaande betekent voor je keuze? Dan komen we toch weer bij de tv-analogie uit; de techniek is simpelweg niet zo belangrijk als het eindresultaat. Als wat je hoort goed klinkt, heb je de juiste versterker te pakken!



Een veelgehoorde vraag is: hoe zit het met de verhouding van het versterkervermogen versus de belastbaarheid van mijn speakers? Welnu, als we het weerstandverhaal (Ohm) voor het gemak even buiten beschouwing laten – we komen er zo nog even op terug –, dan lijkt het logisch dat het door de versterker geproduceerde vermogen (in Watts) nooit hoger mag liggen dan de belastbaarheid van de luidsprekers (ook in Watts). Volgens die logica zou je met een 2 x 100 Watt versterker een luidsprekerset met een belastbaarheid van 2 x 50 Watt binnen de kortste keren aan gort draaien. Dat is in de praktijk gelukkig niet het geval. Sterker nog: de kans op luidsprekerschade wordt er juist kleiner op naarmate de versterker méér watts onder de motorkap heeft zitten. Zelfs wanneer het vermogen van de versterker daardoor hoger uitvalt dan de – zogezegde – maximale belastbaarheid van de luidsprekers.


Vermogen

Luidsprekers gaan namelijk niet zozeer stuk door een te hoog versterkervermogen, maar wel door een versterker die de grenzen van zijn vermogen nadert en – min of meer - overschrijdt. Als dat gebeurt, dan zal de versterker ‘clippen’. Hierbij wordt de golfvorm van het signaal als het ware afgeplat. Als je het weergeeft op een oscilloscoop, is dat duidelijk te zien. Dat gaat gepaard met een hoop harmonische vervorming, die hoogst onaangenaam klinkt. Het is dan ook niet voor niets dat het vaak tijdens wilde feestjes is – als je genoeg alcohol naar binnen giet, valt de vervorming veel minder op – dat luidsprekers naar de haaien gaan... Hoe dan ook is de kans dat een krachtige versterker, ofwel eentje die veel Watts kan produceren, luid genoeg kan spelen zonder dat hij clipt, uiteraard groter dan dat bij een versterker met minder vermogen het geval is. Bijgevolg is de krachtige versterker veiliger dan een minder krachtig exemplaar. Een ander punt waar je rekening mee moet houden, is dat fabrikanten de neiging hebben om de opgegeven vermogenscijfers kunstmatig op te pompen, door gebruik te maken van allerlei spitsvondige meetmethodes.


Belastbaarheid

Dat geldt overigens ook voor de belastbaarheid van de luidsprekers. De meeste mensen zijn namelijk geneigd om te denken dat een versterker of luidspreker waar een hoger wattagecijfer aan hangt sowieso beter presteert dan eentje waar de cijfers wat lager zijn. We schrikken er zelf niet voor terug om krachtige monoblokken – met twee van die dingen produceren we een vermogen van 2 x 500 watt – in te zetten om luidsprekers met een belastbaarheid van 100 watt of iets dergelijks aan te sturen. Nog nooit problemen mee gehad. Ook niet als we het volume stevig opendraaien.
Ohm

Het weerstandverhaal, tot slot. Daar zouden we nog even op terugkomen. Het opgegeven weerstandcijfer van de luidspreker moet je vooral niet letterlijk nemen. Zo heeft een luidspreker normaal gezien nooit een constante weerstand van x Ohm. Dat komt omdat de weerstand fluctueert met de toonhoogte. Wat je vooral moet weten, is dat een lage weerstand een grotere belasting voor de versterker vormt.

Moraal van het verhaal? Combineer gerust een krachtige versterker met minder krachtige luidsprekers. En lig niet wakker van de opgegeven weerstandcijfers. Die zijn in deze context nauwelijks relevant.

HiFi.nl 21-05-2016

Plaats reactie