Verslagen Radiocafé

17 november 2015: Vervorming in versterkers

Deze avond werd er een lezing gehouden over audioversterkers. Er worden buiten de vele demonstraties en besprekingen over radiotoestellen ook regelmatig zelfbouw versterkers tentoongesteld. Waaronder vaak prachtig afgewerkte exemplaren, met zorg gebouwd en derhalve een lust voor het oog.

Er is dan ook al in de Technische Commissie gesproken om nu eens deze apparaten te testen met de daarvoor benodigde meetapparatuur door deskundige technici. Hoe staat het met de uiteindelijke geluidskwaliteit?

Er worden vaak bouwschema’s gebruikt uit Radio Bulletin. Houd er echter rekening mee dat deze bedoeld zijn om zoveel mogelijk onderdelen te kunnen verkopen en een maand later is er vaak weer een verbeterde uitvoering te verwachten. Het aantal onderdelen is echter omgekeerd evenredig met de kwaliteit. Iedere weerstand in serie met een condensator kan ongewenst een laag of hoog doorlaatfilter zijn en zelfs voor frequentieafhankelijke faseverschuiving zorgen.

Met eindtrioden verkrijg je minder vermogen dan met pentoden en bij trioden ook nog eens tweede harmonische cadeau. Alhoewel er zijn muziekinstrumenten waarbij met een druk op een knop een octaaf hoger of lager er bij geschakeld wordt, zoals bijvoorbeeld een accordeon.

Pentoden produceren meer vermogen, maar met een vervelende scherp klinkende derde harmonische. Toch kunnen deze vervormingen bijdragen aan een aangenamer muziekgenoegen. Ga maar eens zingen onder de douche in een betegelde ruimte je voelt je zelf ineens een echte zanger. Door de deur wat meer of minder te openen is de harmonische galm zelfs te regelen. Eenmaal weer aangekleed in de kamer is de stem weer geschikt om voor elke zangauditie afgewezen te worden.

Het is niet altijd alleen maar de versterker, maar ook het signaal wat er op aangesloten wordt. Dan ook nog de luidspreker die meestal wel voor de meeste vervorming zorgt en niet te vergeten de ruimte waar de installatie staat opgesteld.

De ontdekking, dat wiskunde ten grondslag ligt aan de toonladder, hebben we te danken aan Pythagoras. Hij stelde vast dat er een samenhang bestaat tussen de harmonie in de muziek en de getallen waarmee wij tellen. Laten we een snaar trillen dan zal er een toon klinken. Maken we die snaar twee keer zo lang dan horen we een toon die precies een octaaf, dus twee keer lager klinkt dan de vorige. Maken we dus een snaar langer dan wordt de toon lager. Als we een in C gestemde snaar 16/15 langer maken dan krijgen we de eerste daaronder liggende noot B. Vervolgens 6/5 geeft A, 4/3 geeft G, 3/2 geeft F, 8/5 geeft E 16/9 geeft D en twee keer zo lang weer een C. De intervallen in de muziek worden beheerst door een reeks verhoudingen van hele getallen.

Op een viool of cello worden met de vingers op de snaren de juiste tonen gevonden. Enige correctie is dus mogelijk. Bij een klavier is dat onmogelijk omdat daar de tonen zijn vastgelegd. Uit het voorgaande rijtje blijkt dat de G anderhalf keer hoger ligt dan de grondtoon C. We noemen deze afstand een kwint. De piano heeft zeven octaven en derhalve twaalf kwinten. Als we de zeven octaven zuiver stemmen dan is de hoogste noot 2 tot de 7e macht en is 128 keer de grondtoon. Als we de kwinten zuiver stemmen is de hoogste noot 1,5 maal de 12 macht en is 129,75 maal de grondtoon. Dat is een vervelend probleem en dat verschil is bekend als de komma van Pythagoras. Het wordt dus moeilijk de piano goed en zuiver te stemmen.

In 1674 is het Andreas Werckmeister die hier een oplossing voor bedacht. Een octaaf heeft zeven witte toetsen en vijf zwarte en dus samen 12 halve tonen. Hij verdeelde deze in 12 gelijke afstanden die gevonden worden door de 12e machtswortel uit 2. Moeilijk om uit te rekenen maar de uitkomt is gelijk aan 2 met de exponent 1/12.  Ik denk dat daar vroeger veel tijd in heeft gezeten om het antwoord te vinden.  Voor ons is dat tegenwoordig geen kunst, op een uitgebreide zakjapanner één keer de derde machtswortel trekken en deze uitkomst nog twee keer de  tweede machtswortel in drukken en het antwoord is 1,05946308. Deze  stemming staat bekend als de gelijkzwevende temperatuur, alhoewel alle intervallen onzuiver zijn behalve de octaven. Een voordeel je kan nu wel in alle toonsoorten er op spelen.

Het inspireerde Bach tot het componeren van zijn Wohltemperiertes Klavier. Toch komen we in geschreven muziek met mollen aan de sleutel vaak een A tegen met een kruis ervoor. Een Ais en dat is in feite de zelfde toon als de Bes. Nee, er is een klein verschil in frequentie. Geschreven zou het Bes moeten zijn, maar de componist hoort toch graag een iets hoger gestemde toon en maakt er een Ais van. Op een viool mogelijk echter een klavier heeft daar maar één vaste toets voor beide noten. Er zijn nog veel meer dingen die niet helemaal kloppen in de muziek.

Lineaire vervorming
Dat betekent dat niet alle frequenties evenveel versterkt worden.
Nu zorgen wij daar zelf voor door toonregeling toe te passen. Lang geleden met slechts een regelaar in serie met een condensator parallel over de primaire van de uitgangstrafo. Om het hoog af te snijden, eigenlijk bedoeld voor hoornluidsprekers. Nu zijn er hoog- en laagregelaars en soms nog meer om het geluidsspectrum te regelen. Eigenlijk dient dat om het geluid aan te passen aan de huiskamer waar grote clubs het laag dempen en gordijnen het hoog opslurpen. De grootste vervorming wordt trouwens wat mijn ervaring betreft veroorzaakt door aanwezigen die er doorheen praten.

Niet lineaire vervorming
Als de versterking niet over het gehele frequentiegebied gelijk is, dan wordt het ene signaal meer versterkt dan het ander. Bij een zuiver sinusvormig ingangssignaal  is het uitgangssignaal niet meer sinusvormig als de versterking te groot wordt. We krijgen dan een optelling van sinussen met de grondtoon van een of meer boventonen met een frequentie gelijk aan een veelvoud van de grondtoon. Bij deze asymmetrische werklijn die wij ook  kennen van de triode eindbuis, ontstaan er boventonen met frequenties 2, 3 en 4 enzovoort. De vorm van deze kromme werklijn is daarin bepalend.
Bij een kromme asymmetrische lijn zoals we deze vinden bij de pentode eindbuis, ontstaan er alleen maar oneven harmonischen. Deze zorgen voor een scherp geluid.
Zowel niet lineaire als lineaire vervorming in de weergave kan een schadelijke invloed  op verstaanbaarheid en kwaliteit uit oefenen. Voor een weergave van een uitstekende kwaliteit mag in het gebied van 30 tot 10.000 Hertz de versterking niet meer dan 1 dB afwijken. Als algemene regel kan men aannemen dat een behoorlijke kwaliteit bereikt wordt als de vervormingsfactor beneden de 5% blijft.

Intermodulatie vervorming
Als de versterker volkomen lineair is en een signaal met een lage frequentie en een signaal met een hogere frequentie worden gelijktijdig aangeboden aan de ingang, dan komen beide signalen zonder vervorming aan de uitgang.
Echter is de versterker niet lineair dan varieert de versterking van het signaal met de hogere frequentie mee met die van de lagere frequentie.
Dit verschijnsel heet moduleren iets waar wij bij super heterodynes dankbaar gebruik van maken maar hier ongewenst is. Denk aan de formule 2 sin (a) x sin(b) = cos (a-b) – (a+b).
Als we een sinus met een frequentie a vermenigvuldigen met een sinus b, dan ontstaan er na deze modulatie frequenties (a+b) en (a-b).

Slew rate vervorming
Dat is de snelheid waarmee de uitgangsspanningen veranderen. Slew rate is voor een bepaalde amplitude V en frequentie f = 2 π f V
Te zien aan de hellingen van een blokgolf.  Nooit een blokgolf testen met aangesloten luidsprekers om tweeters niet gelijk op te blazen.
De deze avond meegebrachte versterkers zijn niet voorzien zijn van een toonregeling en fase-afhankelijke  tegenkoppeling. Met tegenkoppeling zijn correcties mogelijk, maar vooral bij tegenkoppelen vanaf de secundaire van de uitgangstrafo naar de eerste buis is af te raden vanwege faseproblemen. Teveel tegenkoppeling kan bijvoorbeeld ernstige instabiliteit veroorzaken.

Een probleem al bij de eerste radiolampen was het aansluiten op een volgende lamp, dat een galvanische verbinding voorkomen moest worden tussen de anode van de voorgaande en het rooster van de volgende lamp. Een laagfrequent trafo is een goede oplossing alhoewel daar al patent voor was opgevraagd. Dan is er ook de weerstandskoppeling. Maar bij beide is er frequentie-afhankelijke faseverschuiving te verwachten. In 1929 verschijnt er in het Amerikaanse radiotijdschrift Radio News een bijzonder artikel. Het is de Loftin-White schakeling, waarin geen enkele condensator, afgezien de voeding wordt gebruikt.

De anode van de voorgaande buis is direct met het rooster van de eindbuis verbonden. Mogelijk door de kathode of gloeidraad op een spanningsniveau te brengen waarbij toch het rooster van de eindbuis de juiste negatieve voorspanning krijgt. Dat betekent wel een vergrote hoogspanning die nodig is. Het is een onverwacht succes, een 0,5 dB bereik van 50 tot 10 kHz en dat zonder tegenkoppeling. Op verzoek heeft Vok Keijsper zijn Loftin-White versterker mee gebracht met een AD1.

Over een goede manier van tegenkoppelen is door velen diep over nagedacht en een betere oplossing is gevonden in 1953 door David Hafler door inwendig in de eindbuis tegen te koppelen. Het schermrooster van een pentode in klasse A wordt in deze schakeling gevoed via een aftakking op de primaire van de uitgangstrafo.

Er wordt op deze wijze tegenkoppeling via het schermrooster aangebracht. Belangrijk is de keuze van de aftakking die ongeveer op 43% van de plus-aansluiting moet liggen. Wanneer deze instelling optimaal is dan kan met de ultra lineaire eindtrap ongeveer 65% van het vermogen worden bereikt overeenkomstig met de pentode eindtrap. De eigenschap van deze eindtrap houdt het midden van de pentode en de triode eindtrap. Dit met naar verhouding beduidende lagere vervorming en de inwendige weerstand is vergelijkbaar met die van een triode.

In de meegebrachte klasse A versterker zijn twee enkelvoudige eindtrappen gebruikt met een EL3 voorzien van een Amroh U85NN uitgang. Deze heeft primair aansluitingen van 7000 en 5200 ohm. Deze zijn omgekeerd aangesloten, dat wil zeggen de 0 aansluiting aan de anode de 5200 ohm aansluiting aan het schermrooster en de 7000 ohm aansluiting aan de positieve voeding spanning van 300 volt.

Met een eenvoudige schakeling kan deze stereoversterker omgeschakeld worden tot een balansversterker. Een helft van de ECC82 zorgt met een versterking van 1x dan voor de fasedraaiing. De ingangen worden kortgesloten en als slechts een luidsprekeraansluiting wordt gebruikt worden de beide secundaire wikkelingen van de uitgangen parallel geschakeld. In stereo twee maal 2 watt en in balans 6,5 watt. We leveren dus wel vermogen in maar wel met zeer weinig vervorming. Een piano levert maximaal 0,4 watt aan akoestisch vermogen. Een luidspreker met een rendement van 7 % (AD4200M ) moet met 5,7 watt aangestuurd worden om het zelfde akoestisch vermogen te kunnen leveren. Dus 6,5 watt in balans is ruim voldoende om net zoveel lawaai te kunnen produceren als een piano waar een prelude 2 in cis mol opus 3 van Rachmaninoff wordt gespeeld.

Er is voor EL3 buizen gekozen omdat deze nog ruim voorhanden zijn en ook prettig is om mee te werken. In tegenstelling van de U85NN trafo’s die wat moeilijker te vinden zijn.
De vervorming bij luidsprekers is het grootst. Luidsprekers waarbij de conus in een rubber rand is opgehangen om zo’n groot mogelijke uitslag te maken zijn het ergst. Om een goede basweergave te verkrijgen is dat ook niet nodig. Gyula Kiss heeft dat in het radiocafé al eens gedemonstreerd met een zelfbouw penluidspreker (Freiswinger) die slechts een slag kon maken die met een voelmaat werd ingesteld op 0,6 mm. De basweergave was perfect.

Nu met de zogenoemde baspompen is het een grote ellende veroorzaakt door het doppler effect. Als een dergelijke luidspreker een toon produceert van 60 hertz met een uitslag van twee centimeter dan zal een gelijktijdige frequentie van 1000 hertz zijnde een 33 cm lange golf dit moeten doen terwijl deze zelf al 2 cm heen en weer gaat. Komt de conus naar voren dan gaat de frequentie van 1000 hertz iets omhoog en andersom juist weer omlaag. Het beste is dus een luidspreker met een strakke conus.

Voor onze demonstratie is een Jensen C10R met bekrachtiging gebruikt. De magneetspoel wordt gevoed met 70 volt. Een bekrachtigde spoel heeft een constant magnetisme. Een dergelijke luidspreker is altijd beter dan een permanente magneet echter wel duurder in uitvoering en er is een aparte voeding nodig.

Meerdere luidsprekers met wisselfilters hebben niet mijn voorkeur. Niet alleen vanwege faseproblemen maar het lage rendement vraagt om grote vermogens. Dan is er natuurlijk ook de vraag is er een juiste herkenning van de instrumenten. Tijdens een luxe audio-uitvoering liet de demonstrateur ons weten dat de trompet toch wel heel mooi klonk. Ik hoorde echter een tenor saxofoon.

 

Lang geleden bracht ik in opdracht van de firma Haarlem Electronics samen met de heer G.Courchaine, de boekhouder, een bezoek aan de firma Vita Vox in Londen voor een bespreking met de directie. We kregen na het onderhoud ook een rondleiding in de fabriek en een bezoek aan de toonzaal. Daar hebben we diverse luidsprekersystemen beluisterd; zand gevulde hoekkasten, basreflex systemen twee- en drieweg boxen, te veel om hier te beschrijven.

Na afloop werden wij door een van de directieleden uitgenodigd om bij hem thuis nog een borrel te drinken. Het leek ons gezellig en we hebben dan ook de avond bij hem thuis doorgebracht. Zittend op de bank in de huiskamer hoorde ik muziek van Rachmaninoff op de achtergrond en vroeg mij af welk type luidsprekerboxen hier gebruikt werden. Naast de bank zag ik op de grond een eenvoudige 12 inch luidspreker frontloading in zijn eigen kartonnen doos liggen. De man die net op het moment een drankje voor ons inschonk zag mijn verbazing en zei: `A loudspeaker feels most at home in his own box !`



P. Jhz. van Schagen.