Pas op voor het clippen van uw versterker!

Waar komt de stroom die aan uw luidsprekers wordt geleverd vandaan? Juist, uit het lichtnet. Het lichtnet in Nederland levert een sinusvormige spanning van 230 Volt met een frequentie van 50Hz. Die 230 Volt is de zogenaamde effectieve waarde. De spanning varieert namelijk tussen +325V en -325V in een ritme van 50 maal per seconde, ofwel 50Hz. Dit betekent dat de spanning 50 keer per seconde in sterkte toe- en afneemt en gelijk aan nul Volt wordt.

In de techniek gebruikt men de effectieve waarde van een spanning om het geleverde vermogen te berekenen. De verhouding tussen de maximale waarde van een wisselspanning, de amplitude, en de effectieve waarde is voor een sinusvormige spanning ongeveer gelijk aan 1,4. Dit getal wordt vormfactor genoemd en verschilt per golfvorm. Een symmetrische blokgolf heeft een vormfactor gelijk aan één. De amplitude is gelijk aan de effectieve waarde. Immers, wanneer de blokvormige spanning over een lamp staat, dan maakt het voor de ontwikkelde warmte niet uit of de spanning positief of negatief is. Met andere woorden, voor een lamp maakt het niet uit of er een gelijkspanning of blokspanning van bijvoorbeeld 100V overheen staat. Dit is anders in het geval van een sinus. Voor eenzelfde warmteontwikkeling is een effectieve waarde van 100V nodig, wat neerkomt op een amplitude van 140V!

Vanwaar deze uiteenzetting? Dit maakt het inzichtelijk waarom het geluid uit uw luidsprekers in volume blijft toenemen wanneer u de volumeregelaar verder dan het clipping-punt op blijft voeren. Wanneer de eindversterker gaat "clippen", begint een sinus steeds meer op een blokgolf te lijken. Hierdoor blijft het vermogen toenemen, ondanks dat de maximale uitgangsspanning bereikt is! Die spanning is ongeveer gelijk aan de voedingsspanning van de eindversterker. Immers, een hogere spanning dan de voedingsspanning kan de versterker niet leveren.

Fabrikanten ontwerpen hun versterkers vaak zo, dat deze reeds clipt voordat de volumeregelaar op de helft staat. Dit geeft het gevoel van een versterker met veel vermogen. Bij verder opendraaien neemt het vermogen toe maar de hoeveelheid harmonische vervorming neemt ook toe. Volgens het theorema van Fourier is een pure blokgolf opgebouwd uit een som van een oneindig aantal sinussen. De sinus met de laagste frequentie wordt de fundamentele frequentie genoemd en is gelijk aan de frequentie van de blokgolf. Alle andere sinussen hebben een frequentie die hoger ligt. Deze worden de harmonischen genoemd. Hoe zuiverder de blokgolf, hoe meer sinussen.

Het clippen is zeer slecht voor uw luidsprekers! De reden is tweeledig. Allereerst neemt de beweging van de luidsprekers af, waardoor de ventilatie van de spreekspoel vermindert en er risico op verbranding ontstaat! Daarnaast krijgen de middentoner en tweeter meer vermogen dan normaal te verduren door de aanwezigheid van hogere harmonischen. Een muzieksignaal heeft een vermogensspectrum waarbij het meeste vermogen in de lage tonen gaat zitten. Daarna volgen de midden tonen en tenslotte de hogere tonen. Een frequentie van 3kHz wordt een middenfrequentie genoemd maar als er harmonischen ontstaan, dan kunnen er frequenties van 6kHz, 9kHz, 12kHz etc. ontstaan. Een niet onaanzienlijk gedeelte van het vermogen dat eigenlijk voor de middentoner bedoeld was komt ook in de tweeter terecht waardoor er een risico op overbelasting bestaat.

De verminderde ventilatie kan als volgt worden uitgelegd: Wanneer aan een luidspreker een blokgolf met een frequentie van 1Hz wordt aangeboden, dan gaat gedurende een periode van één seconde de conus één keer geheel naar voren en één keer geheel naar achteren. Gedurende een halve seconde blijft de conus in één uiterste stand staan, alleen bij verandering van de stand beweegt de conus en dit maar over een zeer korte tijdsduur. Bij een sinus is de conus echter continue in beweging waardoor de spreekspoel gekoeld wordt.

Het is nu ook begrijpelijk waarom gelijkspanning dodelijk kan zijn voor de woofer van uw luidspeker. Immers, de conus beweegt alleen in eerste instantie wanneer de gelijkspanning wordt aangelegd en staat daarna stil terwijl er toch vermogen wordt omgezet in warmte! De gelijkspanning hoeft niet schadelijk te zijn voor de midentoner en tweeter omdat condensatoren in het scheidingsfilter de gelijkspanning tegenhouden. Echter, gelijkspanning op de uitgang van een eindversterker betekent meestal dat de eindtransistoren sluiting maken en dit gaat meestal gepaard met een zeer hoge gelijkspanning. Op het moment van sluiting ontstaat een grote spanningssprong die helaas wel wordt doorgelaten door de condensatoren, waardoor er een hoge spanningspiek op de middentoner en tweeter kan optreden.

Let op! Clippen kan niet alleen te wijten zijn aan uw versterker of eindversterker maar ook aan uw voorversterker of bron! Gelukkig heeft u meestal zelf de contrôle. Clippen gaat gepaard met een sterke vervorming. Hoort u die, draai de volumeregelaar dan terug.

 

Schone stroom

Aan het begin van de audioketen hebben we te maken met een lage spanning en in het geval van MC-elementen zelfs met zeer kleine spanningen. Een MC-element wekt zelfstandig spanning op maar de daarop volgende voorversterker put zijn krachten uit een netvoeding. Die voeding ontvangt zijn energie weer van het 230V wisselspanningsnet.

"Je bent wat je eet" is de bekende slogan van voedingsmiddellenreclames en dat geldt ook voor audio-apparatuur. Ieder audio-apparaat heeft een voeding die op zijn minst bestaat uit een transformator, een gelijkrichter en een reservoir- of afvlak-elco. Meestal worden ook nog spanningsregelaars toegepast om de spanning stabiel te houden, dat wil zeggen onafhankelijk van netspanningsschommelingen en variaties in de belasting.

Eindversterkers zijn maar heel zelden uitgerust met een vorm van actieve regulatie. De reden is de dissipatie (lees warmteontwikkeling) die hiermee gepaard gaat. Omdat bij eindversterkers sprake is van grote stromen, heeft dat als consequentie dat een eventueel spanningsregulerend circuit gebruik moet maken van vermogensonderdelen en een substantiële koeling. De complexiteit van zulke schakelingen benadert al snel die van de eindversterker zelf. Daarbij komt dat actieve regelaars een handicap hebben. Zij zijn frequentieafhankelijk, net als de eindversterker zelf en reageren niet snel genoeg op piekstromen.

Als u voortaan iets leest over piekstromen of een snel stijgende spanning, besef dan dat snel inhoudt, dat er hoge frequenties in het spel zijn. Denkt u maar aan het verhaal over het clippen. Een blokgolf is een zeer steil signaal. De spanning van een ideale blokgolf verandert in een oneindig korte tijdsduur en is opgebouwd uit sinussen met een oneindig hoge frequentie.

Een spanningsregelaar is niets anders dan een versterker die een referentiespanning (een fractie van de gewenste uitgangsspanning) versterkt en bij versterkende elementen is er altijd sprake van frequentieafhankelijk gedrag. Zo'n spanningsregelaar heeft net als een eindversterker een uitgangsimpedantie en die is het liefst zo laag mogelijk en frequentieonafhankelijk. Helaas geldt voor zowel de regelaar als de eindversterker dat dit niet het geval is. Wanneer de eindversterker om piekstromen vraagt, zal de regelaar het moeilijk hebben en mogelijk zelfs sporen van oscillatie vertonen. De regelaar holt vaak achter de feiten aan en kan daardoor voor een onstabiel gedrag van de eindversterker zorgen. Daarnaast is een regelaar ook altijd voorzien van een zekere mate van stroombegrenzing, anders is deze geen lang leven beschoren.

De Quad 303 maakte gebruik van een simpele spanningsregelaar in de voeding, waarbij Quad er voor gezorgd had dat de regeltransistor gemakkelijk de kortsluitstroom zou kunnen overleven. Zo'n uitgangspunt legt echter een beperking op kwa vermogen van de transformator en de afvlak-elco's. Als die te fors zijn, overlijdt de regeltransistor alsnog. De versterker had ook maar een beperkt vermogen.

Bob Carver van Carver Audio pakte het veel slimmer aan en regelde de spanning door het regelelement op te nemen in het primaire circuit van de trafo waardoor de dissipatie veel kleiner is. Gecombineerd met meerdere voedingsspanningen waarbij de hogere alleen werden aangesproken bij een groot vermogen, kon hierdoor een compacte, lichte en koel blijvende versterker gemaakt worden. Dit concept werd in licensie ook door Yamaha toegepast in haar pyramidevormige eindversterkers.

Op welke manier een voeding ook is opgebouwd, hij betrekt zijn spanning en stroom van het lichtnet en die is helaas verre van schoon. De foto hiernaast toont de netspanning zoals die bij the audio clinic uit het stopcontact komt. Duidelijk is de afwijking van een ideale sinusvorm te zien. Op de volgende foto staat een aantal meetgegevens waaruit blijkt dat de spanning niet symmetrisch is. Bij een volledig symmetrische spanning bedragen de waarden voor +Duty en -Duty beide 50%. Dit is een percentage van de periode van de sinus. In dit geval bedraagt +Duty 49,8% terwijl -Duty gelijk is aan 50,2%. De tijdsduur dat de netspanning negatief is duurt dus iets langer dan de tijdsduur dat die spanning positief is. Ook zien we een gemiddelde (Vavg) spanning van 473mV. Dit betekent, dat de netspanning een gelijkspanningscomponent van ongeveer 0,5V bezit. Door deze gelijkspanning wordt de trafokern voorgemagnetiseerd. Als de gelijkspanning te hoog is kan de trafokern magnetisch verzadigd raken, waardoor deze gaat brommen en de regulatie afneemt.

Om dit probleem te ondervangen maken sommige fabrikanten van eindversterkers gebruik van een combinatie van diodes en elco's die in serie staan met de netspanning. De elco's moeten de gelijkstroomcomponent tegen houden, de diodes begrenzen de spanning over de elco's om deze te beschermen. Deze oplossing is discutabel aangezien de elco's niets aan de vorm van de sinus veranderen. In de praktijk heb ik dit circuit meerdere malen uitgeprobeerd, zonder resultaat. Elco's zijn bovendien onderhevig aan veroudering. Hoe minder elco's in het ontwerp, des te beter.

Naast de aanwezige vervorming kan er ook sprake zijn van spikes op het lichtnet. Deze stoorsignalen worden veroorzaakt door generatoren, lichtdimmers, computerapparatuur, motoren etc.. De mate van storing hangt af van de buurt waarin u woont. In sommige steden of buurten is de netspanning helemaal niet gelijk aan 230V maar lager en is er veel vervuiling.

Van een klant uit Amsterdam de volgende anekdote: Drie achtereenvolgende donderdagen bemerkte hij dat zijn installatie tussen 1 uur en 5 uur 's middags veel mooier klonk. Achteraf bleek dat op deze middagen de trams niet reden vanwege een staking!

Voor de elektronicus is de vervorming van de netspanning lood om oud ijzer. De gedachte is dat de afvlakelco's hun werk doen en zich niets van de vervorming aantrekken. Ook ik deelde die opvatting, totdat ik zelf de verbetering mocht proeven door de voorschakeling van een 230V spanningsregelaar. Een fantastische ervaring! Het bekende -het gordijn valt weg- verhaal.

Zo'n spanningsregelaar heeft meestal meerdere functies. Allereerst zorgt hij voor een verhoogde isolatie van het net door middel van een transformator. Ook past hij filtering toe, waardoor spikes op het net worden geblokkeerd. Voorts wekt hij een zuivere sinus op met een constante amplitude, onafhankelijk van de belasting.

De P-500 van PS-Audio is zo'n regelaar. Op de foto's hiernaast ziet u het binnenwerk. De P-500 maakt gebruik van frequentie synthese voor het opwekken van een zuivere sinus. Dit gebeurt als volgt: De sinus wordt verdeeld in een eindig aantal samples ofwel punten op de lijn. De digitale data die deze samples representeert zijn opgeslagen in een tabel in het digitale geheugen (ROM). Deze tabel wordt ook wel de waveform tabel genoemd.

De tabel wordt door een microcontroller uitgelezen en de uitgelezen data wordt aangeboden aan een D/A-converter die de digitale data omzet in een analoog signaal. De microcontroller doorloopt en herhaalt de tabel 50 keer per seconde (50Hz). Het uitgangssignaal van de D/A-converter is te laag en wordt daarom door een vermogensversterker versterkt tot een signaal met een amplitude van 160V. Een ringkerntrafo verdubbelt deze spanning om tot een amplitude van ongeveer 320V te komen. Zodoende ontstaat een zuivere sinus met een effectieve waarde van 230V.

De "kleine" trafo op de foto is de uitgangstrafo die na de vermogensversterker komt. De grote trafo voedt de vermogensversterker. De vermogensversterker is net zo opgebouwd als een normale eindversterker. De eindtransistoren zijn hierbij op een koeltunnel gemonteerd voor de nodige koeling. Op de print is een rode ring (stroom-meetspoel) te zien waar twee zwarte draden doorheen lopen. De schakeling meet op deze manier de stroom die door de vermogensversterker aan de uitgangstrafo wordt geleverd en begrenst deze in het geval van een overbelasting.

Deze opzet is zeer effectief en levert een sinus op met een geringe vervorming en zeer stabiele spanning, binnen bepaalde grenzen onafhankelijk van de belasting en de spanningsfluctuatie op het lichtnet.

In plaats van frequentie synthese wordt ook wel gebruik gemaakt van een Wien-brug oscillator. Dit is een analoog principe en biedt een sinus die nog zuiverder is. Deze oscillator is echter moeilijker te bouwen en daardoor duurder. Bovendien treedt er een verloop op wat niet het geval is bij synthese. De laatste is vrij van veroudering.

Voor grotere vermogens is bovenstaand principe niet geschikt doordat bij grotere vermogens de eindtransistoren teveel vermogen dissiperen. Een concurent lost dit op door het gebruik van een trafo met een 230V secundaire wikkeling en nog een aantal wikkelingen voor de regelelektronica. Die laatste vergelijkt een fractie van de 230V-secundaire spanning met een referentiespanning (bijvoorbeeld een Wien brug oscillator) en voegt of een positief signaal of een negatief signaal toe om tot een zuivere sinus te komen. De vermogensversterker hoeft in dit geval niet zo'n hoge voedingsspanning nodig waardoor de dissipatie afneemt.

In geen geval raad ik aan om een spanningsregelaar voor een eindversterker te gebruiken. Omdat alle regelaars gebruik maken van een trafo, wordt het impulsgedrag van de eindversterker slechter. Elke trafo bezit nu eenmaal een niet geringe inductiviteit die stroomveranderingen juist tegenwerkt.

Voor bronnen en uw voorversterker is een regelaar echter een wondermiddel!

 

Naschrift 230312

Uit recente metingen is gebleken dat de PS-Audio regelaars niet doen wat ze beloven. De uitgangsspanning is weliswaar schoon maar naar blijkt helaas alleen als de uitgangen niet belast worden! Dit is te wijten aan de uitgangstrafo en het niet toepassen van terugkoppeling. Bij terugkoppeling wordt de uitgangsspanning gemeten en vergeleken met een referentiespanning. Hierdoor kan de regelaar afhankelijk van de belasting worden bijgestuurd.

De recente producten van PS-Audio maken wel gebruik van terugkoppeling. Wij hebben deze nog niet in reparatie gehad waardoor we de prestaties niet hebben kunnen testen. Dat doen we uiteraard alsnog indien de mogelijkheid zich voor doet.

 

Waarschuwing PS-Audio P600 en lekkende elco's

Niet lang geleden hadden we een PS-Audio P600 Power Plant ter reparatie. We zijn nogal geschrokken van wat we aantroffen. Alle voedingselco's waren aan het lekken en het vrijgekomen elektroliet had de printplaten aangetast, waardoor sluiting was ontstaan. De elco's waren zo ver heen dat zelfs hun aansluitingen doorgevreten waren. Hierdoor kon je zo de elco's van de print trekken!!

Bij kwaliteitselco's gebeurt zoiets niet. Daarom valt PS-Audio iets te verwijten, het gebruik van inferieure elco's. Een andere klant heeft zelfs meegemaakt dat zijn P600 vlam vatte en zwarte rook produceerde. De Power Plant stond in zijn slaapkamer en hij was in slaap tijdens het inferno. Gelukkig werd hij op tijd wakker, de gevolgen waren anders niet te overzien geweest!

Ook bij de Classic 250 is gebruik gemaakt van slechte elco's. Ze gaan al snel bol staan. Overigens is PS-Audio niet de enige fabrikant die slechte elco's toepast. De prijzen van elco's, met name de grotere jongens, zijn relatief hoog en zeker het afgelopen jaar zijn er aanzienlijk prijsstijgingen geweest. Fabrikanten kiezen dan voor producten van Chinese makelij en dat is zelden verstandig.

Zo maakt Musical Fidelity al jaren gebruik van het merk Jamicon en ondanks dat de elco's van dit merk hebben bewezen een korte levensduur te hebben, blijft Musical Fidelity dit merk gebruiken. Een kwalijke zaak omdat voor reparatie nogal wat uit elkaar moet.

Elco's die aan vervanging toe zijn, zijn te herkennen aan het bol staan van de bovenkant. Bij sommige merken zoals Jamicon, kun je de foliewikkeling aan de binnenkant horen rammelen als je de elco schudt.

Bij de zware Krell eindversterkers met sustained bias plateau zijn de enorme bekerelco's middels bouten bevestigd aan de print. Deze bouten schroeven in de terminals van de elco's. De terminals zijn gevat in pertinax dat na verloop van tijd scheurt doordat het gewicht van de elco's aan de terminals trekt. Lekkage en kortsluiting zijn het gevolg waardoor een of meerdere gelijkrichters worden opgeblazen.

De moraal van dit verhaal is, is dat het geen overbodige luxe is om uw apparaat preventief na te laten kijken.

 



 

Licht clippende eindtrap

Lichte clipping

Toegenomen clipping.

Toegenomen clipping


Clipping benadert blokgolf.

Door clipping gaat de sinus steeds meer op een blokgolf lijken

 

 

 

 

Carver Magnetic Field Amp

Carver eindversterker met magnetic field technologie


Yamaha B-6 eindtrap

Yamaha B-6 eindversterker

Vervormde netspanning.

Vervormde netspanning


Meetresultaten.

Meetresultaten

 

PS-Audio P-500 Power Plant

PS-Audio P-500 Mains Voltage Regulator

P500 transformatoren

Links de grote trafo die de versterkerprint voedt.
Daarnaast de kleinere trafo die verbonden is met de uitgang van de versterker. De print is samen met een fan gemonteerd op een koeltunnel


Klik hier voor een grotere foto.

De versterkerprint met rechts de rode stroom-meetspoel

K.v.K. nr. 371 395 37   © 2008, 2012 the audio clinic
laatst bijgewerkt: 23031012