Het was altijd al een ideaal van ontwerpers
om audio op de meest eenvoudige manier te versterken. Dat begon
al in de 19e eeuw, toen nog zonder elektronica (!), toen men
probeerde de stroom in een draad te kunnen regelen door middel
van een magnetisch veld. Dat ging dus niet. Veel later, in de
jaren '70, slaagden we er in om een stroom te controleren door
middel van een spanning gebruik makend van de toen nieuw ontworpen
mosfets. Deze componenten doen ongeveer hetzelfde als wat in
die eerdere poging niet lukte: er wordt een "veld"
gecreëerd door de op de gate aangelegde spanning en dat
veld controleert de stroom tussen de drain en de source.
De 'onhoorbare' draad
In audio werd bovendien
nog op een andere manier naar het probleem gekeken. Om in staat
te zijn de specifieke kwaliteit van een audio schakeling te kunnen
beschrijven werden een aantal meetmethoden ontwikkeld. Zo kwamen
er voltmeters, stroommeters, vervormingsmeters, signaal generatoren
etc. Het resultaat was dat we de diverse aspecten van een versterker
konden meten en omschrijven in een datasheet of folder. Dat leek
de goede manier te zijn en we slaagden er in versterkers te ontwerpen
met steeds lagere vervormingscijfers en steeds grotere vermogens.
Sommige ontwerpers meenden nu de meest optimale geluidskwaliteit
bereikt te hebben en beschreven het gedrag van hun versterkers
als zijnde een "draad met versterking"!
De menselijke perceptie
Inmiddels weten we beter. We weten ook
dat we een heleboel aspecten van (de gehoormatige ervaring van) audio nog niet weten. We weten
dat het menselijk gehoor gecompliceerder in elkaar zit dan wat
eerder verondersteld werd. De manier waarop onze hersenen muziek
registreren kan niet eenvoudigweg beschreven worden als het luisteren
naar bepaalde tonen en hun harmonischen etc.
Vervorming is een factor maar als we
spreken over een "totale harmonische distorsie" van
minder dan 1 procent dan is er nauwelijks een mens die dat kan
waarnemen. Andere soorten van vervorming zoals "cross over"
en "transient intermodulatie" kunnen waargenomen worden
op een niveau van omstreeks 0,1 procent. Maar er spelen factoren
een rol die de geluidskwaliteit op een ingrijpender manier beïnvloeden.
"Tijd" is een belangrijke factor
omdat een deel van onze perceptie berust op het waarnemen van
tijdsverschillen en zelfs het vaststellen van een toonhoogte
berust op een hersenfunctie die de golflengte meet (of tijd!).
Sommige ontwerpers creëerden versterker schakelingen met
een significant hogere vervorming dan gebruikelijk maar met lagere,
of zelfs zonder, zogenaamde "tegenkoppeling". Elke
component in een schakeling veroorzaakt een tijdsvertraging.
Daarom zal tegenkoppeling (van uitgang naar ingang, ook wel 'overall
feedback' genoemd) een tijdsprobleem kunnen introduceren.
Elektronische
componenten
Er is veel onderzoek gedaan om de kwaliteit van passieve componenten
zoals weerstanden en condensatoren te verbeteren. Dergelijke
onderelen zitten altijd in de signaalweg en bepalen mede de totale
geluidskwaliteit.
Een condensator heeft een specifieke
eigenaardigheid, hij heeft een "geheugen". Hij gedraagt
zich als een batterij of een accu. Na met een spanning geladen
te zijn, en daarna ontladen, kan er nog steeds een restspanning
gemeten worden. (Hetzelfde gebeurt met een auto als u hem parkeert
en het licht aan laat staan. De accu ontlaadt zich en na een
tijdje kun je niet meer starten. Daarna, als alles uitgeschakeld
wordt en je de auto enkele uren laat staan, is het mogelijk dat
er weer gestart kan worden! Dat is "geheugen".)
Dat geheugen veroorzaakt een soort "versmering"in
de tijd.
Tegenwoordig zijn er veel verschillende
soorten condensatoren. Zogenaamde "audiofiele" condensatoren
geven vaak een beter geluidsbeeld dan de meer gebruikelijke polyester
typen. Vooral de "papier-in-olie" typen staan daarvoor
bekend. Het grappige nu is dat oude olie-gevulde condensatoren
uit de jaren '40 nog steeds een opmerkelijk goede geluidskwaliteit
bieden.
Overwegingen
We zijn bij APN nu al meer dan dertig jaar bezig met het ontwerpen
van versterkers. In de jaren negentig kwamen we tot de conclusie
dat er in principe drie soorten versterkers zijn met "High
End" eigenschappen. Daar staat tegenover dat er ook schakelingen
zijn die precies het tegenovergestelde doen en dus de geluidskwaliteit
aantasten. Laten we met het laatste beginnen:
1. Differentiale of gebalanceerde schakelingen.
Daarvoor heb je extra elektronica in het signaalpad nodig en
soms zelfs twee keer zoveel!
2. Configuraties met grote aantallen
actieve componenten (dat kunnen zowel transistoren als buizen
zijn) en hoge tegenkoppelfactoren.
3. Operationele versterkers (Op amps)
waarbij geen bijzondere maatregelen zijn genomen om het gedrag
in de hand te houden.
Een "goede" versterker wordt
als volgt geconfigureerd:
1. Heel simpele transistor schakelingen
zoals bijvoorbeeld "Le Monstre" van Jean Hiraga, ook
schakelingen met slechts één vermogensfet of schakelingen
zoals toegepast in onze eigen A-18.
2. Single Ended buizen versterkers
3. Hybride versterkers
Er zijn nog een paar dingen die een rol
spelen zoals:
1. De voeding kan een bepalende factor
zijn. Bij de meeste buizen versterkers is de voeding een onderdeel
van de signaalweg! En als er halfgeleiders (dioden) gebruikt
worden voor de gelijkrichting moet er iets gedaan worden om de
stoorpulsen daarvan te onderdrukken.
2. Met het ontwikkelen van schakelende
voedingen, o.m. in computers, werden er noodzakelijkerwijs een
nieuw soort electrolytische condensatoren ontwikkeld met een
lage impedantie over een groter frequentiegebied. Dergelijke
condensatoren bieden duidelijke voordelen in audio voedingen.
Op dit moment hebben we ons "A-60"
ontwerp, een schakeling die in 1989 als A-30 ontstond en later
meerdere malen verbeterd werd. De huidige schakeling biedt een
aantal voordelen in vergelijking met andere ontwerpen:
1. Aan de ingang zorgt een elektronenbuis
voor de spanningsversterking. Een tweede buis is geconfigureerd
als een speciaal soort kathodevolger met een zeer lage uitgangsimpedantie.
Daarna wordt het signaal gekoppeld aan uitgangstransistoren die
als stroomversterker geschakeld zijn. Die koppeling komt tot
stand via polypropyleen condensatoren.
2. De ingang heeft een hoge impedantie
en is direct verbonden met de buis.
3. De uitgang is extreem laagimpedant
en kan piekstromen leveren van meer dan 100 Ampères. Dit
laatste betekent dat vrijwel ALLE soorten luidsprekers op een
goede manier worden aangestuurd. Dat kunnen luidsprekers zijn
met een gecompliceerd filter, maar ook electrostaten of magnetostaten.
Daarom hoef je je nooit zorgen te maken over de versterker als
er nieuwe luidsprekers worden aangeschaft.
Deze A-60 is een "klasse-A"
ontwerp. Het voordeel daarvan is dat stemmen en houtblazers gereproduceerd
worden met een meer natuurlijk karakter. Een nadeel echter is
de hoge prijs die veroorzaakt wordt door de forse benodigde voeding
en het grote koellichaam die er voor moet zorgen dat de temperatuur
binnen redelijke grenzen blijft.
Wat verder nadenkend over dit ontwerp
is het duidelijk dat er een paar nadelen aan kleven. De behuizing
is vrij fors in vergelijking met klasse-B ontwerpen. Indien in
klasse-A geschakeld gebruikt de schakeling veel stroom uit het
lichtnet en dat kost extra geld, alweer in vergelijking met klasse-B
ontwerpen. Een bijkomend nadeel is dat er een aparte regelversterker
nodig is om de eindversterker op een adequate manier aan te sturen.
Als we nu vanaf het begin opnieuw gaan
ontwerpen zijn er een paar zaken die we in elk geval in overweging
moeten nemen:
1. Een buis aan de ingang is de enige component die op zijn manier
signalen van een zeer laag niveau verwerkt zonder een drempel
toe te voegen.
2. De gevoeligheid zou 300 mV moeten
bedragen zodat een extra voorversterker niet meer nodig is.
3. Zoals in al onze eerdere ontwerpen
willen we geen "actieve" beveiligingsschakeling.
4. Als we het ontwerp in klasse-B instellen
is het een stuk goedkoper in aanschaf en gebruik.
Sommige buizen werken redelijk lineair
met een anodespanning van 40 Volt of meer. Er zijn zelfs ontwerpers
die een buizencircuit op 24 Volt laten werken en dat gaat goed
al is het gedrag dan minder lineair en moet je tegenkoppeling toepassen
om de oneven harmonischen te onderdrukken. In het onderhavige
ontwerp hebben we een voedingsspanning van + en -30 Volt, dus
samen 60 Volt. De min-aansluiting van de voeding wordt gebruikt
als aardreferentie voor de buis, maar op die min-aansluiting
is altijd enige brom aanwezig. Daarom hebben we een spanningsregelaar
toegepast om dat effect te onderdrukken.
Bekijk de schema's!
Een nadeel is nu dat het "aard"
niveau aan de ingang verschilt van dat aan de uitgang. Die twee
mogen daarom nooit met elkaar verbonden worden anders veroorzaken
we een forse kortsluiting. We hadden dit kunnen voorkomen door
aan de uitgang een elco te plaatsen tussen de schakeling en de
luidsprekeraansluiting. Hoewel dat laatste "veiliger"
is kiezen we er voor dat niet te doen. Zo'n elco vermindert de
geluidskwaliteit en bovendien gaat de uitgangsimpedantie bij
lage frequenties omhoog. Het gedrag van de luidspreker wordt
dan minder goed "gecontroleerd" in de laagste octaven.
De nieuwe versterker wordt geleverd in
twee versies, als een HB-20 die 20 Watt geeft in 8 Ohm en (met
dubbele uitgangstransistoren en een grotere voedingstransformator)
als een HB-30 met een vermogen van 30 Watt in 8 Ohm en 50 Watt
in 4 Ohm.
| |
HB-20 |
HB-30 |
| output power at 8 Ohms |
20 Watt |
30 Watt |
| output power at 4 Ohms |
35 Watt |
50 Watt |
| output power at 2 Ohms |
32 Watt |
72 Watt |
| input sensitivity |
300 mV |
300 mV |
| bandwidth -3 dB |
12 Hz - 150 kHz |
12 Hz - 150 kHz |
| distortion + noise (ref 1 W) |
-65 dB |
-70 dB |
| distortion 20 Hz - 50 kHz -3 dB |
<0,5% |
<0,5% |
| decrease at 1 W vs 8 Ohm: |
|
|
| at
4 Ohm |
-1,5 dB |
-0,5 dB |
| at
2 Ohm |
-3 dB |
-1 dB |
| overshoot at 8 Ohm//2 µF |
15% |
15% |
| overshoot at 4 Ohm//2 µF |
10% |
10% |
| input impedance |
100 kOhm |
100 kOhm |
| number of inputs |
4 |
4 |
De versterker is onvoorwaardelijk stabiel.
