Meting met multimeter

De generator moet een sinussignaal leveren zodat men een zuivere meting kan doen. Vanaf 5kHz ongeveer bevat een blokgolfsignaal harmonischen die de versterker niet kan weergeven. Het is ook altijd beter een sinussignaal te gebruiken, omdat muziek uit sinussen van verschillende frekwenties bestaat.

Zet de generator op een gemiddelde frekwentie, bijvoorbeeld 800Hz, regel de generator om 1V aan de ingang van de versterker te hebben. Schakel de versterker aan, sluit een dummy load aan en regel de volume van de versterker zodat die een vermogen van 10% levert ten opzichte van zijn maximaal vermogen (het is niet de bedoeling een vermogensmeting te doen). Kom niet meer aan de volumeknop.

Begin de metingen vanaf de laagst mogelijke frekwentie (bijvoorbeeld 20Hz). Pas indien nodig de amplitude van het generatorsignaal om 1V te meten op de multimeter. Meet de uitgangsspanning (bijvoorbeeld 1.5V).

Herhaal de meting voor de opeenvolgende frekwenties (stapgrootte 1.5): 20Hz, 30Hz, 45Hz, 67Hz, 100Hz, 150Hz,... Controleer eerst de amplitude van het ingangssignaal en schijf de uitgangsspanning op.

Bepaal de maximale amplitude van het signaal, bijvoorbeeld 2.5V op 500Hz. Als men het over de bandbreedte heeft, dan bedoelt men het gebied dat de versterker kan weergeven met een vermogen die niet onder de 50% van de maximale amplitude komt. Omgezet in een spanning betekent dit dat de minimale spanning hoger moet liggen dan 0.7× de maximale spanning.

We hebben een maximale amplitude van 2.5V, de minimale amplitude mag dus niet onder de 1.77V komen.

Vergeet niet een mooie grafiek te tekenen en die op instagram te posten.

Meting met een skoop

De skoopbeelden die hier getoond worden zijn gegeven met uitgeschakelde tegenkoppeling. In de praktijk worden de metingen uitgevoerd zowel met ingeschakelde als uitgeschakelde tegenkoppeling om de fouten op te sporen. Een tegenkoppeling zou eigenlijk enkel gebruikt mogen worden om een goede versterker nog te verbeteren, niet om ontwerpfouten te verdoezelen.

Fouten die kunnen optreden zijn bijvoorbeeld uitslingeringen, die enkel zichtbaar zijn met blokgolfsignalen.

Ringing (uitslingering) Uitslingering is een vaak voorkomend probleem bij versterkers die sterk uitgestuurd worden. De uitslingering is ook zichtbaar met een sinusgolf als de versterker overstuurd wordt. Als de versterker in classe AB werkt wordt dit veroorzaakt door een tak van de outputtransformator die niet meer gedempt wordt (pentode uit geleiding). Het effekt kan verminderd worden door bijvoorbeeld een boucherot filter.

Het uitgangssignaal zal nooit perfekt vierkant zijn, en dit is normaal: een blokgolfsignaal bevat harmonischen die in theorie tot in het oneindige doorlopen. Geen enkel audiosignaal bestaat uit blokgolven. Een blokgolfsignaal kan echter gemakkelijk gebruikt worden om snel de bandbreedte van een versterker te meten. De skoop moet een meetraster hebben (graticule). Op deze pagina kan je de bandbreedte van een versterker meten aan de hand van oscilloscoopbeelden.

Het eerste beeld is die van het ingangssignaal aan de versterker. Het tweede signaal wordt gemeten op de uitgang van de versterker als de frekwentie overeenkomt met het begin van de bandbreedte. De versterker kan een hoog of laag niveau niet vasthouden. Het derde signaal is gemeten op het einde van de bandbreedte, als de versterker moeite heeft om het signaal van de generator te volgen.

Het vierde signaal wordt gemeten halverwege de frekwentieband (de fout is extreem, dit is een versterker met een beperkte frekwentieband). Het is echter niet de bedoeling van de kwaliteit van een versterker te meten aan de hand van skoopbeelden. Geen enkel natuurlijk audiosignaal lijkt op een blokgolf.

Een goede buizenversterker heeft een bandbreedte die loopt van 30 tot 18kHz, en het loont de moeite niet om de bandbreedte te verhogen: er wordt energie gepomt in frekwentiebanden die niet goed weergegeven kunnen worden, waardoor de intermodulatie sterk stijgt en het geluid "muddy" wordt.

Amplifier bandwith without feedback and with feedback

Invloed van de tegenkoppeling op de bandbreedte

De rode curve is de weergavecurve zonder globale tegenkoppeling, met enkel lokale tegenkoppeling (kleine condensatoren tussen anode en rooster van bepaalde buizen om oscillaties tegen te gaan). De versterking is hoog maar de curve is zeer bol, met de -3dB punten die redelijk dicht bij elkaar liggen. Het is vooral de outputtransformator die voor de bolle curve zorgt.

De groene curve is opgetekend met ingeschakelde tegenkoppeling. De totale versterking is lager, maar de curve is meer vlak, met de -3dB punten die verder uit elkaar liggen. De bandbreedte (lichtgroen) is dus breder geworden.

Het is mogelijk om de terugkoppeling zodanig aan te passen (met een condensator- en weerstandnetwerk) dat de curve nog vlakker wordt, door de verhoogde versterking bij hoge frekwenties te verminderen.

Ingangssignaal: 1.4V top-top
Uitgangssignaal zonder tegenkoppeling: 18V top-top (10W)
Uitgangssignaal met tegenkoppeling: 7V top-top (1.5W)
Een vermindering van de amplitude van 2.6× als de tegenkoppeling ingeschakeld wordt.

Sweep op de ingang 2V top-top (sinussignaal 20Hz - 20kHz)
Uitgangssignaal zonder tegenkoppeling: 20V top-top (12W)
Uitgangssignaal met tegenkoppeling: 8.5V top-top (2.3W)
Een vermindering van de amplitude van 2.4×

Opgelet: de kleuren zijn omgewisseld op de twee oscilloscoopbeelden!

De tegenkoppeling veroorzaakt een vermindering van de versterking van 8dB. Doorgaans heeft het weinig zin de tegenkoppeling op te voeren boven de 10dB: de verbetering van het signaal wordt kleiner en kleiner, terwijl de kans op instabiliteit groter en groter wordt.

Het signaal zonder tegenkoppeling heeft een beperkte bandbreedte met een verzwakking van de hoge tonen (de flanken zijn niet recht) en van de lage tonen (de plateau's zijn niet horizontaal).

Het signaal met tegenkoppeling is minder sterk (verzwakking van 8.2dB), maar de flanken zijn steil en de plateau's zijn mooi horizontaal. Hier is te zien dat een beperkte tegenkoppeling een grote invloed heeft op de kwaliteit van het signaal.

De signaalverzwakking veroorzaakt echter een sterke daling van het vermogen, en bij het opvoeren van het vermogen kunnen andere fouten optreden, zoals uitslingeringen (overshoot) die niet aanwezig waren zonder tegenkoppeling. Deze fouten worden veroorzaakt door fasefouten in het versterkergedeelte. Deze fasefouten kunnen doorgaans moeilijk vermeden worden en een oplossing kan hier zijn de bandbreddte van de versterker te beperken door op geschikte plaatsen kleine condensatoren te monteren.

1 2 3 4 5

Meting van de bandbreedte door middel van een frekwentiesweep

De sweep is logaritmisch, dit komt beter overeen met ons gehoor. De generator staat ingesteld op een sinussignaal (zeker geen blokgolf).

Afbeelding 2: Historische versterker
We hebben eerst de curve van een goede historische versterker na onderhoud. Er is een instabiliteit tussen 15 en 30Hz. Er is een signaalverzwakking vanaf 15kHz, maar het vermogen dat bij deze frekwenties nodig is is zeer laag. Dit is de mormale curve van een historische versterker nadat die volledig nagezien is geweest.

Door de tegenkoppeling heeft men een zeer constante versterking over de volledige bandbreedte. Van zodra dat de gain boven een bepaalde waarde komt begint de tegenkoppeling te werken om de gain te beperken. De tegenkoppeling kan de versterking niet opvoeren, enkel beperken.

De vorm van de bandbreedte kan veranderen als men de parameters van de eindtrappen wijzigd (anodestroom). Bij een lagere stroom nemen de eigenschappen van de outputtransformator de overhand want de buizen verliezen een deel van de controle over de transfo.

Afbeelding 3: Oude AM radio (met ingeschakelde tegenkoppeling)
Dit is de weergavecurve van een oude AM radio. De bandbreedte is sterk beperkt in de hoge tonen, maar dit is normaal want de bandbreedte van AM zenders is beperkt tot 4.5kHz en de radio is niet voorzien om de FM band te ontvangen. De bandbreedte is zeer goed in de lage tonen, de bandbreedte loopt van 25Hz tot 4.5kHz. De hoge tonen worden minder versterkt om de storingen te verminderen.

Deze radio heeft een sterke tegenkoppeling, dit merkt men aan het vlakke verloop van de curve. In deze radio wordt de mate van tegenkoppeling bepaald door de stand van de volumepotmeter.

Afbeelding 4: Oude AM radio (met uitgeschakelde tegenkoppeling)
We hebben dan een oscilloscoopbeeld van dezelfde AM lampenradio, maar nu met uitgeschakelde tegenkoppeling. Omdat de tegenkoppeling ook gebruikt werd om de bandbreedte boven de 4.5kHz te beperken hebben we een zwak signaal boven de 4.5kHz.

De tegenkoppeling is dus zeer nuttig: het vlakt de weergavecaracteristiek af en in dit geval beperkt het ook de bandbreedte tot het nuttig gebied.

De curve is verschrikkelijk, er is nergens een plateau, maar de praktijk is nog veel slechter, want het vermogen hangt af van de spanning in het kwadraat. Een signaalverzwakking van 50% (halvering) komt overeen met een vermogen vermindering van 75% (kwart vermogen).

De praktische bandbreedte van een versterker wordt daarom aangegeven bij een vermogenvermindering van 50% (halvering), wat overeenkomt met een amplitudevermindering tot 71% of 3dB (spanning van 1V naar 0.71V). De vermogensbandbreedte van de versterker gaat van 55Hz tot 1kHz.

Afbeelding 5: Blokgolf (middelmatige versterker)
Het blokgolfsignaal wordt sterk verminkt: de lage tonen zijn zwak (er is geen plateau) en het is niet beter gesteld met de hoge tonen (de verticale flanken zijn verdwenen).

De meting is hier uitgevoerd met een frekwentie van 440Hz. Ik gebruik deze frekwentie omdat die mooi in het midden van het frekwentiespectrum van een audiobron zit.

Een skoopbeeld van een blokgolfsignaal kan je een idee geven hoe goed de versterker presteert (je kan nazien of er geen parasitaire oscillaties ontstaan (ringing)), maar om de bandbreedte te bepalen is een sweep toch beter.