Crossover

Een op-amp heeft een voldoende versterking om het signaal dat naar de eindtransistoren gestuurd wordt ogenblikkelijk te corrigeren (de uitgangsspanning van de op-amp springt direct van +0.6V naar -0.6V), maar een lampenversterker heeft een lagere reserve.

De instelling van de eindtrappen moet dus zorgvuldig gebeuren want de correctie door de tegenkoppeling is maar gebrekkig. Een locale tegenkoppeling kan hier helpen door de eindtrappen apart te corrigeren zonder de volledige versterker in de correctie te betrekken.

Invloed van de frekwentie

De lagere tegenkoppeling op de hogere frekwenties, en dus de verhoogde vervorming is wel degelijk aanwezig, maar is in de praktijk niet hoorbaar want de harmonischen liggen buiten het gehoorbereik.

Vermindering van de blocking margin

Maar er gebeurt iets raars bij een versterker met een sterke tegenkoppeling. Als de eindtrappen tegen hun limieten aanlopen, dan zal de tegenkoppeling de eindtrappen proberen te "forceren" en dus een sterker signaal doorgeven (van de voortrap die de tegenkoppeling krijgt tot de eindtrappen). Dit sterker signaal zal de eindtrappen in classe C sturen, en dat is wel hoorbaar.

Het effekt kan ook optreden in een trap vòòr de eindtrap, dit is meestal een drivertrap met twee triodes (één triode per eindtrap). De stuurtrap heeft meestal een roosterweerstand van hogere waarde, zodat het effekt sterker zal optreden.

Veronderstellen we nu dat onze eindtrap in saturatie gaat, de sinus op de uitgang wordt lichtjes afgeplat. De terugkoppeling bedraagt 15dB en de stuurtrappen hebben een 20dB reserve en gaan nog niet in saturatie. (deze dB-waarden zijn normale waarden).

Eenmaal dat het niveau overschreden wordt waarbij de eindtrappen niet meer mee kunnen, dan wordt de volledige versterkingsreserve (15dB) opgebruikt om de clipping te onderdrukken. Onze 20dB reserve is dus in een trek verminderd tot minder dan 5dB.

Wat gaat er gebeuren als die reserve opgebruikt wordt? (en 5dB is echt zeer weinig als het orkest fortissimo speelt) De triode gaat gewoon blokkeren. We hebben de zuchtende versterker vervangen door een haperende versterker.

Deze hapering ontstaat vaak aan de stuurtriode van de eindtrappen: het signaal is hier al redelijk sterk maar de roosterweerstand heeft hier nog een relatief hoge waarde. En de ontwerpers gebruiken zoals gewoonlijk een koppelcondensator van veel te hoge waarde.

Als de eindtrap overgaat naar classe B, dan is dat hoorbaar (meestal onder de vorm van een vermindering van de versterking). Maar het effekt is geleidelijk en van korte duur (eindtrappen hebben doorgaans een curve die lijkt op die van een remote cutoff pentode, dus met een verre afknijppunt). Maar als de stuurtrap overstuurd wordt, is dat veel sterker hoorbaar. De triodes hebben doorgaans een scherpere cutoff om een hoge versterking te halen. Gedurende een tiende van een seconde valt het geluid volledig weg.

Als men een te hoge tegenkoppeling gebruikt in een versterker die daar niet speciaal voor ontworpen is, dan haalt men eigenlijk de zuurstof van onze versterker weg. De marge die men heeft wordt meestal als "blocking margin" aangeduid en is de reserve die de versterker nog heeft eenmaal dat de eindtrappen de saturatie naderen. Bij een goed ontworpen lampenversterker is die marge zeer groot (bij een transistorversterker is de marge nul).

Op de selectiepagina van de triodes kan je nagaan welke triodes een hoge blocking margin hebben. Door locale tegenkoppeling toe te passen kan je ook de blokkeringsmarge van de versterker vergroten.

Capacitor blocking

Het effekt is sterker aanwezig als men koppelcondensatoren met een te hoge waarde gebruikt, deze hebben meer tijd om zich te ontladen. Het effekt is ook meer aanwezig bij een sterke tegenkoppeling, want als een trap onderbroken wordt, dan zorgt de tegenkoppeling voor een extra sterke aansturing.

In het blauw het ingangssignal, geel het signaal op het stuurrooster van één van de eindtrappen en in magenta het signaal op d euitgang (belastingsweerstand 4Ω).

Het uitgangssignaal (E) is beperkt aan beide zijden, met een sterkere afplatting aan positieve kant.

De tegenkoppeling werkt niet aan de positieve kant (C) , want het signaal is zodanig weinig negatief dat er een roosterstroom ontstaat. Bij de tegenkoppeling aan negatieve kant (minder sterk aanwezig) gaat de stuurtrap goed in geleiding (D), vandaar de negatieve piek. Dit allemaal om een probleem proberen op te lossen die niet opgelost kan worden. Bij de tweede eindtrap hebben we een soortgelijk signaal, met een positieve stuurspanning die afgeplat is en een sterke negatieve piek.

De correctie kan hier niets meer uitrichten: de eindtrappen werken al op hun maximaal vermogen. Maar de twee correctiesignalen die een zeer sterke amplitude hebben storen de gelijkspanningsinstelling van de volledige versterker. Dit is (gelukkig...) geen commerciele versterker, maar testen die uitgevoerd werden met een versterker met dubbele cascode. De versterking binnen de tegenkoppellus was zo sterk dat de versterker zeer slecht klonk.

De tweede afbeelding bestaande uit drie skooàpbeelden geeft weer wat er allemaal misloopt als de versterker overstuurd wordt en de tegenkoppeling de boel probeert te redden. Opgelet, de kleuren corresponderen niet.

In het magenta hebben we het ingangssignaal dat gebruikt wordt om de skoop te synchroniseren, in het groen het signaal van de drivertriode van de eindtrap (gemeten aan het stuurrooster van de eindtrap) en in het geel het uitgangssignaal van de versterker (het signaal is driemaal verzwakt, de amplitude bedraagt dus 12Vrms over 8Ω voor een vermogen van 18W).

De versterker bestaat uit een voortrap ECC83 die voor beide kanalen gebruikt wordt, gevolgd door een long tail fasesplitter met ECC82 en twee eindtrappen PL508. De tegenkoppeling (ongeveer 12dB) komt op de cathode van de eerste triode.

Het eerste beeld toont aan dat alles in orde is, alle signalen zijn mooi sinusoidaal.

Als ik de volumeknop open draai, dan ontstaan de vervormingen zeer plots. Tot nu toe kon de tegenkoppeling de versterker goed controleren, totdat we aan de grens van wat de eindtrap aan vermogen kan leveren. Het stuursignaal heeft een negatieve dip (de ECC82 probeert de vervorming te beperken) en een positief plateau (de pentode gaat over in classe AB2 met roosterstroom, maar de schakeling is daarop niet voorzien).

Als men het signaal nog verder opvoert dan gaat de werking nog meer naar classe AB2. Door de roosterstroom wordt het stuurrooster nog verder negatief gepolariseerd door de koppelcondensator tussen de ECC82 en de PL508. Met een gemiddelde voorspanning die nog negatiever is wordt de crossover vervorming goed zichtbaar. met die sterk negatieve spanning versterkt de eindtrap minder en de amplitude van het uitgangssignaal (top-top signaal) is lager geworden.

De overgang van beeld 1 naar beeld 3 gebeurt heel snel, er is maar een stijging van de amplitude van 2% nodig (juist omdat de tegenkoppeling de boel kost wat kost probeert te redden). Het was perfect en het is nu afgrijselijk.

Dit kan gebeuren bij de weergave van een muziekstuk met zeer lage frekwenties (bepaalde muziekstukken hebben subsonische tonen). Zelfs klassieke muziekstukken bevatten dergelijke passages, zoals de symphonie 101 in D groot van Haydn (andante), de klok. Zet het geluid van je versterker op een goed kamerniveau en luiter vanaf 2 minuten.

Zo'n vervorming is duidelijk hoorbaar. Er is niet alléén een instorting van het vermogen, maar oof een reeks vervormingen die de kop opsteken.

De schuldigen zijn de te sterk werkende tegenkoppeling en de koppelcondensatoren die niet toelaten dat de versterker in classe AB2 met roosterstroom zouden werken.

Maar hoe kan je ervoor zorgen dat de versterker wèl in classe AB2 kan werken?

Door een extra drivertriode te plaatsen in gemeenschappelijke anodeschakeling (cathodevolger). De triode levert voldoende stroom om het stuurrooster van de pentode positief te maken.

Dat er nog steeds een koppelcondensator zit tussen de long tail en de drivertrap speelt geen rol: de triode levert voldoende stroom zonder zelf in classe A2 te moeten gaan. Het rooster van de triode blijft altijd negatief ten opzichte van de cathode en trekt dus geen stroom. Men kan hiervoor een ECC82 gebruiken, de buis kan meer dan 10mA leveren.

De instelling van de ruststroom gebeurt nu door de trimmer aan het rooster van de driverbuis (de driverbuis moet ook een voldoende negatieve spanning hebben).

De meting van de blocking marge gebeurt volgens een standaard protocol: de versterker wordt uitgestuurd tot zijn nominaal vermogen en dan wordt 3dB bijgevoegd. Er is nu een vervorming van het outputsignaal, maar dit is normaal. De sturing wisselt tussen dit signaal en een signaal dat 20dB lager is.

De drie beelden zijn skoopbeelden (omhullende): het is niet de vervorming van het signaal dat belangrijk is, maar de totale amplitude van het signaal.

Dit is zeer storend effekt met een haperend geluid. In veel gevallen zal er geen volledige onderdrukking van het audio signaal zijn, maar zelfs een vermindering van de amplitude (door een werking in classe B in plaats van AB) is duidelijk hoorbaar door de vervorming.

Meestal is dit een combinatie van een te hoge stuurrooster weerstand (werkpunt verschuift te gemakkelijk) en een te hoge tegenkoppeling (overmatige signaalcorrectie).

De auto bias is een gewenste functie van bepaalde versterkers want het beperkt de dissipatie van de eindtrappen als de versterker op hoog vermogen werkt, maar de werking kan soms overdreven zijn. Een te zwakke voeding kan ook zo'n fenomeen veroorzaken: als de hoogspanning zakt, dan levert de versterker een lager vermogen, en het duurt een tijdje vooralleer de spanning zijn nominale waarde terug bereikt. Als daarbij de tegenkoppeling het niveau probeert te handhaven, dan heb je niet een verminderde amplitude, maar een volledige blokkering.